軋制方式對TC16 鈦合金線材組織和性能的影響

文／孫虎代，陶海林，黃帆，張偉·寶雞鈦業股份有限公司

張永強，關蕾·寶鈦集團有限公司

在相同的軋制工藝下，對比研究了縱連軋和橫列式軋制兩種不同軋制方式對TC16 合金線坯顯微組織、力學性能及冷鐓成形性能的影響。結果表明，縱連軋軋制得到的線坯為細片層+少量等軸α 組織，M 態線材強度低、塑性高，冷變形能力強，有利于冷鐓緊固件生產。試樣經熱處理強化后，強度及塑性與橫列式軋制生產線坯相當。

TC16 鈦合金是前蘇聯研制的一種馬氏體型α+β 兩相鈦合金，其名義成分為Ti-3Al-5Mo-4.5V，β 穩定系數為0.83。TC16 鈦合金因具有高塑性、高強度、良好淬透性、優異的冷鐓成形性，抗疲勞和焊接性能好，對應力集中敏感性小等優點，廣泛用于航空航天緊固件制造。

鈦合金小規格棒線材以軋制生產為主，根據軋機形式可分為橫列式軋制和縱向連續軋制。橫列式軋機由人工將軋件喂入軋制孔型進行往復軋制，軋件每軋制一道次頭尾交換一次，軋制速度慢，時間長、軋制過程溫降快。熱連軋線由縱向連續排布的若干架軋機組成，坯料從第一架次軋制到成品架次，軋件從頭至尾依次通過每一架軋機，軋制速度快，軋制過程同時存在溫降與溫升，軋件質量一致性高。

試驗材料及方法

試驗用材料為寶雞鈦業股份有限公司生產的TC16 合金鑄錠，經鍛造、軋制等方式制備的φ51mm軋制坯料。分別在熱連軋生產線和φ250mm 橫列式軋機上采用相同的加熱溫度、軋制變形量軋制為φ8.0mm 線坯。軋制工藝如表1 所示。

表1 試驗用材料生產工藝

在軋制的線坯上取樣，試樣加熱到780℃后保溫2h，爐冷熱處理后進行M 態組織及力學性能分析；加熱到800℃后保溫2h，水淬+560℃保溫6h，空冷熱處理后，進行STA 態性能分析。依據GB/T 5168-2020《鈦及鈦合金高低倍組織檢驗方法》，采用金相顯微鏡、EBSD 等分析顯微組織。試樣加工為R7 標準試樣，依據GB/T 228.1-2021《金屬材料 室溫拉伸試驗 第一部分：室溫試驗》，利用萬能試驗機測試力學性能和冷頂鍛試驗，冷頂鍛試樣原始高徑比2:1，試樣鐓制前尺寸為φ6.0mm×12mm，按一定比例鐓制后在電子放大鏡下放大100倍觀察表面是否開裂，未開裂則判定為合格。

試驗結果與分析

軋制方式對顯微組織的影響

圖1 為橫列式軋制和熱連軋兩種不同方式軋制線坯，780℃保溫2h，爐冷熱處理后觀察高倍組織。由圖1(a)可以看出橫列式軋機生產的線材高倍組織為細小的等軸α 相組織，α 相基本呈等軸顆?；蚵晕⒗L，其長短軸基本一致；圖1(b)為縱連軋生產線材的橫向高倍組織，其為細小的片狀+少量等軸α相的混合組織，在β 轉變基體上分布著少量的等軸α 相，片狀α 相的長度很短。

圖1 不同軋制方式對橫向顯微組織的影響

采用EBSD 分析了不同方式軋制線坯相比例及晶粒尺寸，結果如圖2 所示。橫列式軋制線材橫向組織中α 相含量約為74.6%；晶粒尺寸最大約為12μm，大部分晶粒尺寸為1 ～6μm，分布不均勻，如圖2(a)所示?？v連軋軋制線材橫向組織中α 相含量約為70.3%，晶粒尺寸呈正態分布規律，最大晶粒尺寸約4μm，基本集中在1 ～3μm，大小均勻一致，如圖2(b)所示。

圖2 不同方式軋制線材的晶粒分布及相比例

金屬材料軋制變形過程伴隨著晶粒破碎和動態恢復過程，變形溫度和變形速度是決定材料顯微組織的主要因素。利用橫列式軋機軋制線材時，軋件在每一道次停留的時間相對于縱連軋長很多，前道次軋制中生成的小晶粒在停留的這段時間內長大、球化，β相轉變為更多的等軸α 相。因此，橫列式軋制后的顯微組織以等軸組織為主；軋制過程中受人為因素影響大、軋制時間長、終軋溫度低，軋制后的組織不均勻，α 相含量相對較高。而縱連軋時，因軋件在每軋制道次的停留時間很短，原始β 相經軋制變形生成的晶核來不及長大與等軸化就進入到下一道次繼續軋制變形，再結晶過程很不充分，得到的顯微組織為細小的片狀+少量等軸α 相，且組織均勻細小。

軋制方式對力學性能的影響

圖3 為橫列式軋制和縱連軋兩種不同方式軋制線坯，780℃保溫2h，爐冷熱處理(M 態)的室溫拉伸性能。由圖可以看出，橫列式軋機軋制的線材M 態強度高于縱連軋線材，而塑性水平略低。顯微組織是材料性能的內在表現形式，鈦合金顯微組織的形成由材料的熱加工工藝控制，在雙相鈦合金中α 相的形態會對鈦合金的力學性能產生決定性的影響。如上文所述，兩種不同軋制方式，得到不同形態的α 相，縱連軋得到的超細片狀α 相與傳統意義上的網籃組織不同，片層厚度和長度均很小，且片狀組織中間分布著細小等軸α 相。已有研究表明，縱連軋得到的超細片狀組織具有與等軸組織相當甚至更好的塑性。

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圖4 為兩種不同方式軋制的線坯，800℃保溫2h，水淬+560℃保溫6h，空冷熱處理(STA 態)的室溫拉伸性能。相對于M 態性能，TC16 合金線材經固溶+時效處理后的強度提升明顯，不同方式軋制線材的抗拉強度提升約30%，但塑性指標變化不明顯。這主要是因為固溶時效后合金由初生等軸α 相和析出針狀α 相的β 相組成，絲材得到彌散強化。不同方式軋制絲材經STA 處理后的強度和塑性差別不明顯，這說明縱連軋得到的M 態強度較低而塑性較高的絲材，經相同工藝強化熱處理后，STA 態性能明顯提升，可滿足STA 態緊固件使用要求。

圖4 不同方式軋制線坯的STA 態性能

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軋制方式對工藝性能的影響

TC16 合金因具有較強的冷變形能力，冷頂鍛是評估金屬材料冷成形性能最簡便的方法之一。兩種不同方式軋制的線坯，均按照1:4 鐓比進行冷鐓試驗，縱連軋線坯的冷頂鍛合格率100%，明顯高于橫列式軋制線坯的92%，鐓制結果如圖5(a)所示。另外，采用相同的鐓制方法測試了不同方式軋制的線坯可承受的最大冷頂鍛變形量，縱連軋生產線坯按照1:6 鐓制后，仍不會鐓裂，說明其冷變形性能優越，如圖5(b)所示。

圖5 冷頂鍛合格率及不同鐓比變形后的宏觀形貌

文獻研究表明，TC16 合金在應力的作用下進行著α 相→β 相的轉變，并隨之會形成α"相，這種斜方晶格的α"相具有不高的強度和良好的塑性?？v連軋得到細片層間分布的α"相能有利地促進鐓制過程中片層的滑移變形，表現出更加優越的冷鐓性能；而橫列式軋制得到的等軸組織變形時晶粒間的協調性不如細片狀好，冷鐓過程容易在試樣表面形成拉應力，從而造成試樣表面開裂，鐓制合格率下降。

軒轅五帝之一，五帝分東南西北中。有一說黃帝軒轅坐鎮中央，東方青帝，西方白帝少昊，北方玄帝顓頊，南方赤帝炎帝。神話時代三大戰役，兩次都是由黃帝主導，并最終取得勝利。

結論

⑴相同的軋制工藝下，縱連軋軋制的TC16 合金線坯顯微組織為細片層+少量等軸α 相組織，而橫列式軋制得到的組織為全等軸α 相組織。

⑵相對于橫列式軋制，縱連軋生產的TC16 合金線坯M 態強度低，塑性高，試樣經熱處理強化后兩者性能水平相當。

⑶縱連軋生產能有效地提高TC16合金線材冷鐓性能，可用于冷鐓緊固件用TC16 合金絲材的生產。