陳勝川，朱寶輝，袁紅軍，李永林，郭春燕，劉永平，蔡國帥，王 璐

(寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000)

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Q值對Gr.9鈦合金冷軋管材組織及性能的影響

陳勝川，朱寶輝，袁紅軍，李永林，郭春燕，劉永平，蔡國帥，王 璐

(寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000)

通過調(diào)整冷軋過程中的工藝參數(shù)，研究了不同Q值對小規(guī)格Gr.9鈦合金管材組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：軋制Q值對管材組織及性能的影響較大，通過合理控制軋制Q值可獲得綜合性能良好的Gr.9管材。對于小規(guī)格Gr.9管材，Q值越大，晶粒破碎越充分、均勻，晶粒纖維化和取向性越明顯，當(dāng)Q值在1.86～2.62范圍內(nèi)時，冷軋態(tài)管材強(qiáng)、塑性較好，退火后晶粒尺寸較?。划?dāng)Q值在1.86～2.24范圍內(nèi)時，管材擴(kuò)口性能優(yōu)越，Q值過大或過小均不利于小規(guī)格管材擴(kuò)口。此外，Q值會影響冷加工過程中晶粒的均勻度及織構(gòu)分布，可通過將Q值控制在1.54～2.46使得CSR在1.3～2.5范圍內(nèi),從而得到綜合性能良好的Gr.9鈦合金管材。

Gr.9管材；Q值；顯微組織；拉伸性能

0 引 言

Gr.9鈦合金(Ti-3Al-2.5V)是一種近α型鈦合金，因其密度小、比強(qiáng)度高、疲勞強(qiáng)度和抗裂紋擴(kuò)展能力好，在室溫和高溫下強(qiáng)度比純鈦高出20%～50%，焊接性能和冷成形性能優(yōu)于TC4鈦合金，被廣泛用于航空管路等[1-2]。通過控制冷加工后的熱處理，可以使該合金獲得不同的強(qiáng)度水平，最典型的強(qiáng)度級別有兩種，即退火態(tài)620 MPa和去應(yīng)力退火態(tài)860 MPa。Gr.9鈦合金除了用于加工管材，也可以軋成箔材和帶材，用于制作飛機(jī)蜂窩結(jié)構(gòu)等[2-4]。隨著我國航空工業(yè)的發(fā)展，特別是大飛機(jī)項目的啟動,對小規(guī)格Gr.9鈦合金管材的需求逐漸增多。但目前國內(nèi)小規(guī)格Gr.9鈦合金管材在生產(chǎn)中仍存在很多技術(shù)問題，比如軋制工藝不成熟、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、成材率低、產(chǎn)品綜合性能較差，無法滿足航空液壓管等領(lǐng)域?qū)懿母哔|(zhì)量的要求[5]。所以，如何進(jìn)一步改善Gr.9鈦合金管材的軋制工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性成為當(dāng)前亟待解決的問題。

鈦合金管材冷軋變形過程中減壁量和減徑量的合理匹配以及金屬流動的方向性對其組織和性能具有顯著的影響。很多文獻(xiàn)表明[2-4,6]，管材軋制Q值(相對減壁量與相對減徑量的比值)是六方晶系金屬冷軋過程中的重要參數(shù)，對管材織構(gòu)和性能有著重要影響。因此，本研究試圖以軋制Q值作為切入點，期望通過研究Q值對小規(guī)格Gr.9鈦合金管材顯微組織和力學(xué)性能的影響，探索改善小規(guī)格Gr.9鈦合金管材軋制工藝的方法，實現(xiàn)批量和穩(wěn)定生產(chǎn)，為高質(zhì)量鈦合金無縫管的制備和生產(chǎn)提供一定的數(shù)據(jù)積累。

1 實 驗

實驗原料為0級海綿鈦、AlV55中間合金和鋁豆，經(jīng)兩次真空自耗電弧爐熔煉，制備成φ600 mm的Gr.9鈦合金鑄錠，其化學(xué)成分見表1。將鑄錠鍛造成棒坯后鉆孔制備成空心錠坯，經(jīng)熱擠壓、酸洗、扒皮制備成φ55 mm×9 mm的管坯。將管坯經(jīng)開坯軋制、中間兩輥軋制、內(nèi)外表面處理和退火等工序后制備成φ16.4 mm×2 mm的中間管坯。

表1 Gr.9鈦合金鑄錠的化學(xué)成分(w/%)

將φ16.4 mm×2 mm的中間管坯，按表2給出的冷軋方案，在LD-30多輥冷軋管機(jī)上軋制5種不同規(guī)格的管材，并對5種規(guī)格的成品管材進(jìn)行700 ℃×60 min真空熱退火處理。

采用Instron 5982電子萬能試驗機(jī)對冷軋態(tài)和退火態(tài)管材的室溫拉伸性能、擴(kuò)口性能及收縮應(yīng)變比(CSR)進(jìn)行測試。其中，拉伸試驗按照GB/T 228—2002《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》進(jìn)行制樣和測試；CSR試驗根據(jù)SAE AS 4076《鈦液壓管CSR試驗規(guī)范》進(jìn)行制樣和測試。此外，按照GB/T 5168—2008《α+β鈦合金高低倍組織檢驗方法》制備金相試樣，采用OLYMPUS GX51金相顯微鏡觀察顯微組織。

表2 不同規(guī)格Gr.9鈦合金管材的冷軋方案

2 結(jié)果與討論

2.1 不同Q值的冷軋態(tài)管材的組織及性能

圖1為不同Q值的冷軋態(tài)Gr.9鈦合金管材縱向的金相組織。從圖中可以看出，不同Q值的冷軋態(tài)Gr.9鈦合金管材的顯微組織基本都是變形的纖維狀組織，β相呈點狀彌散分布在α相中，冷軋使得α晶粒被拉長，晶界變得比較模糊，但拉長的組織方向性趨于一致。當(dāng)Q值較小(即壁厚變形量相對徑向變形量較小)時，由于變形量也較小，晶粒雖然被拉長，但不是很均勻(見圖1a、b)；當(dāng)Q值繼續(xù)增加時，變形程度也隨之增加，金屬流動愈加劇烈，晶粒變形拉長程度更加明顯，而且均勻性有所改善(見圖1c)；當(dāng)Q值達(dá)到3.14時，雖然此時的變形量和Q值為2.24時的變形量接近，但晶粒變形的程度仍然在增加(見圖1d、e)，主要是由于壁厚變形量在繼續(xù)增加。由上述情況可以看出，冷軋過程中變形量不能完全衡量金屬晶粒變形和金屬流動的特征，還需要結(jié)合Q值進(jìn)行考察和控制，大致規(guī)律是：Q值越大，晶粒變形拉長的程度越大，金屬流動越劇烈，晶粒纖維化和取向趨勢越明顯。

Q值對管材拉伸性能的影響也比較顯著。圖2為不同Q值的冷軋態(tài)Gr.9鈦合金管材的室溫拉伸性能。從圖中可以看出，當(dāng)Q值<1.12時，強(qiáng)度隨Q值的增加而上升，延伸率隨之下降，即產(chǎn)生了一定程度的加工硬化。當(dāng)1.12

圖1 不同Q值的冷軋態(tài)Gr.9鈦合金管材的顯微組織Fig.1 Microstructures of cold-rolled Gr.9 titanium alloy tubes with different Q parameters

圖2 不同Q值的冷軋態(tài)Gr.9管材室溫拉伸性能Fig.2 Room-temperature tensile properties of cold-rolled Gr.9 tubes with different Q parameters

結(jié)合表2不難看出，同樣是70%左右的加工率，但由于Q值不同，管材延伸率的差異非常大，強(qiáng)度也略有下降。說明Q值對管材的塑性具有關(guān)鍵作用，最佳的Q值選擇范圍應(yīng)在2.24左右，由于延伸率曲線近似二次曲線，Q值為1.86時的延伸率也比較高，按照對稱的原理粗略估計Q值為1.86的另一個對稱點(以Q值2.24為對稱軸)大約是2.62。所以，從圖中可以得出比較適合Gr.9鈦合金管材冷軋的Q值取值范圍是1.86～2.62。

2.2 不同Q值的退火態(tài)管材的組織及性能

不同Q值的Gr.9鈦合金管材經(jīng)退火處理后的縱向顯微組織如圖3所示。從圖中可以看出，Gr.9鈦合金管材經(jīng)真空退火處理后顯微組織均為再結(jié)晶等軸晶粒，而且晶粒都比較細(xì)小，但晶粒尺寸存在差異；β相仍彌散分布在α相中，與冷軋態(tài)顯微組織相比，晶粒取向性消失[5]，為典型的等軸組織。當(dāng)0.75

不同Q值的退火態(tài)Gr.9鈦合金管材的室溫拉伸性能如圖4所示。從圖中可以看出，隨著Q值的增加，強(qiáng)度先小幅度上升，而后逐漸下降。延伸率則不斷上升。當(dāng)Q值從1.86增加到2.24時，強(qiáng)度下降比較明顯，而延伸率的增大趨勢較為明顯。當(dāng)Q值繼續(xù)增加到3.14時，延伸率增加開始變緩，最終達(dá)到42%。這說明為了提高退火態(tài)管材的塑性，選擇較高的Q值是比較適宜的。

圖3 不同Q值的退火態(tài)Gr.9鈦合金管材的顯微組織Fig.3 Microstructures of annealed Gr.9 titanium alloy tubes with different Q parameters

圖4 不同Q值的退火態(tài)Gr.9管材室溫拉伸性能Fig.4 Room-temperature tensile properties of annealed Gr.9 tubes with different Q parameters

2.3 Q值對管材擴(kuò)口性能的影響

擴(kuò)口性能是管材工藝性能的重要指標(biāo)之一。表3為不同Q值的退火態(tài)Gr.9鈦合金管材的極限擴(kuò)口值。從表3可以看出，Q值在1.86～2.24范圍內(nèi)，擴(kuò)口性能優(yōu)越。這是由于管材冷軋過程中先后經(jīng)過了減徑、逐次減壁以及定徑階段，在減徑階段，變形金屬受到軋輥徑向力作用向內(nèi)壁與芯棒間隙處流動，因失穩(wěn)而形成內(nèi)壁皺縮。Q值越小(即空減徑量越大)時，其失穩(wěn)程度越大，皺縮越嚴(yán)重,甚至可產(chǎn)生微裂紋，從而對擴(kuò)口性能產(chǎn)生不利影響[6]；Q值過大時，管材會產(chǎn)生徑向織構(gòu)，對擴(kuò)口和壓扁等工藝性能不利，因此擴(kuò)口時易產(chǎn)生開裂。

表3 不同Q值的退火態(tài)Gr.9鈦合金管材的極限擴(kuò)口值

2.4 Q值對CSR的影響

X射線衍射(XRD)和電子背散射衍射(EBSD)是常用的評價晶體織構(gòu)的方法，但這兩種評價方法相對繁瑣。表征軋制管材織構(gòu)更簡便的方法是測量收縮應(yīng)變比(Contractile Strain Ratio，CSR)[2-3]。CSR是周向與徑向塑性變形之比，是通過測量均勻變形時軸向拉伸前后的軸向與周向塑性應(yīng)變，推算出徑向塑性變形，以此反映周向與徑向的性能[2,7]，因此，CSR可以反映管材織構(gòu)的分布及強(qiáng)弱。文獻(xiàn)[3]指出，具有徑向織構(gòu)的管材(CSR值高)屈服強(qiáng)度和延伸率比具有周向織構(gòu)的管材(CSR值低)的高，最佳的CSR值范圍為1.3～2.5。所以,有必要研究CSR與管材Q值之間的聯(lián)系，通過控制Q值來控制CSR在合理的范圍內(nèi)，從而獲得綜合性能良好的管材。

圖5為不同Q值的退火態(tài)Gr.9鈦合金管材的CSR曲線。由圖5可見，當(dāng)Q值大于1.12時，兩者基本接近線性關(guān)系，即CSR隨著Q值呈線性增長。通過最小二乘法擬合出兩者的關(guān)系式，見式(1)。并通過統(tǒng)計和模擬計算出擬合度為0.92。

CSR=1.3Q-0.7

(1)

圖5 不同Q值的退火態(tài)Gr.9管材的CSR曲線Fig.5 CSR curves of annealed Gr.9 tubes with different Q parameters

因此，為了將CSR控制在1.3～2.5，就須將Q值控制在1.54～2.46。

3 結(jié) 論

(1)Q值對冷軋態(tài)Gr.9鈦合金管材組織和拉伸性能有重要影響，當(dāng)1.86

(2)Q值對退火態(tài)Gr.9鈦合金管材的組織和拉伸性能影響也比較大，隨著Q值的增大，晶粒尺寸逐漸細(xì)化，延伸率并隨之不斷提高，最高可達(dá)42%。

(3)Q值與CSR之間存在著線性關(guān)系，可以通過將Q值控制在1.54～2.46范圍內(nèi)，從而控制Gr.9鈦合金管材的CSR值在1.3～2.5范圍內(nèi)，獲得良好的綜合性能。

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Effect ofQParameter on Microstructure and Properties of the Cold-rolled Gr.9 Titanium Alloy Tubes

Chen Shengchuan, Zhu Baohui,Yuan Hongjun, Li Yonglin, Guo Chunyan, Liu Yongping, Cai Guoshuai，Wang Lu

(Ningxia Orient Tantalum Industry Co. ,Ltd. , Shizuishan 753000, China)

The effect ofQparameter on the microstructure and mechanical properties of small size Gr.9 titanium alloy tubes was investigated by adjusting the parameters among cold rolling process. The results show thatQparameter has a great effect on the microstructure and properties of small size Gr.9 tubes. The higherQparameter, the more fully and uniform grain breaks, the more obvious the grain fibrosis and orientation.The stength-ductility for cold-rolled tubes is better and the grain size after annealing is smaller when theQparameter controlled in 1.86～2.62. It is not conductive to the expanding of the tubes when theQparameter is too large or too small, the expangding performs more superior as theQis in range of 1.86～2.24.TheQparameter influences the grains uniformity and texture distribution.By adjustingQparameter in the range of 1.54～2.46 with the purpose of making CSR in the range of 1.3～2.5,we can obtain Gr.9 titanium alloy tubes with excellent comprehensive properties．

Gr.9 tubes;Qparameter; microstructure; tensile properties

2016-06-06

寧夏自然科學(xué)基金資助項目(NZ14264)

陳勝川(1988—)，男，工程師。

TG

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