白鳳梅，尹理波，劉云昊，劉相華

(1.東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧沈陽110819；2.安徽工業(yè)大學冶金工程與資源綜合利用安徽省重點實驗室，安徽馬鞍山243032)

隨著產品微型化和微制造技術的興起，電子、醫(yī)療、生物等領域對高質量金屬極薄帶產生迫切需求[1]。極薄帶也稱箔材，生產金屬箔有多種工藝，古老技術為鍛打法，至今仍有使用；較常見的有軋制和電解，其中優(yōu)質極薄帶的生產主要采用軋制法。為不斷提高產品質量[2-4]，目前主要采用多輥軋機如森吉米爾軋機軋制，輔以道次間退火，但這種方法存在設備昂貴、工藝繁瑣、帶材表面易被污染和氧化、極薄帶純度不高等問題。為實現(xiàn)極薄帶綠色高效生產，學者們一直在致力于研究采用異步軋制替代多輥軋機軋制來簡化工藝。于九明等[5]利用異步軋制技術使用90 mm直徑的工作輥軋制微米級銅箔；黃濤等[6]發(fā)現(xiàn)相同壓下率下，異速比大的異步軋制能夠激發(fā)更多的滑移系參與滑移與交滑移，引起更高的實際變形程度；Xie等[7]成功開發(fā)了2-Hi微型軋機，輥身寬度為29.5 mm，且獲得了高質量的SUS 304不銹鋼超薄箔。任忠凱等[8]分析了極薄帶軋制變形區(qū)接觸輪廓及接觸壓力，結果表明：隨著來料厚度與工作輥彈性模量的減小、壓下量的增大，變形區(qū)軋輥彈性壓扁越來越嚴重，甚至出現(xiàn)中性區(qū)；隨軋輥彈性壓扁的加劇，變形區(qū)接觸壓力急劇增大。目前研究者在極薄帶軋制薄度和工藝設計方面不斷取得突破，但對于異步軋制能夠軋制極薄帶的內在原因理論支撐研究仍不充分，技術創(chuàng)新還有待開發(fā)。本課題組[9]找到了異步軋制條件下影響最小可軋厚度的一個關鍵參數(shù)——搓軋區(qū)比例，推導出新的最小可軋厚度公式；據(jù)此提出組合成形軋制技術，且自主研發(fā)了能實現(xiàn)壓縮、拉伸和剪切3種組合成形的金屬微成形軋機。在此基礎上，本課題組運用組合成形技術，以11 mm厚度的低氧高純鈦為原料，設計合理軋制工藝制備低氧高純鈦極薄帶，分析極薄帶的表面形貌與微觀組織，研究其力學性能，以期得到塑性成形性能良好的極薄帶產品。

1 實驗原料與工藝

1.1 原料

采用由寧波創(chuàng)潤新材料有限公司提供的低氧高純鈦為原料，鈦含量大于99.999%(質量分數(shù))，同時含微量的氧和其他元素。原料取樣過程及其原始組織如圖1。在直徑d=400 mm 的圓柱形鑄錠上截取厚度t=11 mm的鈦餅，如圖1(a)；線切割鈦餅得到長寬高分別為60 mm×50 mm×11 mm的鈦塊，如圖1(b)。軋制前，用砂紙打磨鈦塊表面，去除線切割熱影響區(qū)域。將鈦塊放置酒精溶液(質量分數(shù)99.7%)中利用超聲波清洗機清洗約10 min，以防止表面異物在軋制過程中壓入試樣，影響材料純度。圖1(c)為原料原始組織。由圖1(c)可看出，原料組織為典型柱狀晶組織，其是在電子束熔煉凝固過程中，原料邊緣與容器壁接觸后快速降溫定向凝固形成的，晶粒寬度為2 ～10 mm。

圖1 高純鈦原料及其原始組織Fig.1 Raw material and original microstructure of high-purity titanium

1.2 實驗工藝

考慮到高純鈦加熱后易氧化污染，整個軋制過程采用冷軋方式，即一次冷軋(同步軋制)和二次冷軋(異步軋制)兩個階段。為消除同步軋制階段材料加工硬化和應力殘余、提高軋制效率，在兩階段之間對材料進行一次中間退火；異步軋制結束，為提高極薄帶塑性，再進行一次再結晶退火。故其工藝路線為一次冷軋→中間退火→二次冷軋→再結晶退火。

1.2.1 一次冷軋工藝規(guī)程

表1 一次冷軋工藝規(guī)程Tab.1 Process specification of primary cold rolling

1.2.2 退火工藝制度

高純鈦在軋制過程中產生加工硬化現(xiàn)象，塑性不斷降低，難以進一步塑性變形。為提高高純鈦的塑性，對其進行一次中間退火處理。退火在管式爐中進行，通氬氣保護，退火過程如圖2。由圖2 可看出：退火過程為4 個階段：升溫階段，從室溫開始以8 ℃/min的速度勻速升溫，約1 h后達500 ℃；保溫階段，保持爐溫500 ℃，1 h；爐冷階段，試樣隨爐冷卻，從500 ℃降到100 ℃，約4 h；空冷階段，取出試樣隨空氣冷卻，從100 ℃降至室溫。

圖2 退火溫度曲線Fig.2 Annealing temperature curve

1.2.3 二次冷軋工藝規(guī)程

二次冷軋采用上下輥輥速不同的異步軋制。異步軋制變形區(qū)包括前滑區(qū)、后滑區(qū)以及搓軋區(qū)，在剪應力作用下，搓軋區(qū)可顯著降低軋制力，促進軋件厚度減薄，與普通軋制相比，異步軋制能夠突破最小可軋厚度限制。軋機為本課題組自主研發(fā)的金屬微成形四輥可逆式軋機，支撐輥直徑120 mm、輥身長度120 mm，工作輥直徑50 mm、輥身長度130mm，最大軋制力200kN。

帶材厚度不斷減薄的過程中，為使軋制變形處于塑性變形區(qū)，適當增大軋制道次壓下率，壓下率在15%～20%之間；為控制組合成形狀態(tài)需合理控制搓軋區(qū)比例，搓軋區(qū)比例受軋制壓力、摩擦力、前后張力以及異速比等因素的影響[11-12]；為使極薄帶上下表面變形均勻，更替道次間快慢輥，并校核軋制力。綜合考慮確定異步軋制過程為17道次，具體工藝參數(shù)如表2。

表2 二次冷軋工藝規(guī)程Tab.2 Process specification for secondary cold rolling

1.2.4 再結晶退火

軋制后低氧高純鈦極薄帶位錯密度增加，產生強烈的加工硬化效應，塑性差，不利于微成形。為提高軋后高純鈦極薄帶的塑性，對其進行再結晶退火處理，通氬氣保護，退火溫度為500 ℃、保溫1 h。

1.2.5 性能檢測與組織觀察

在極薄帶中部縱向取樣，按GB/T 228—2002要求制成標準拉伸試樣，采用英斯特朗5969電子萬能試驗機進行單向拉伸試驗；采用nanosurf easyscan 2型原子力顯微鏡觀察試樣表面形貌，采用德國蔡司公司型號為Axiom Imager M2m的光學顯微鏡和美國FEI公司生產的型號Talos F200x的透射電子顯微鏡觀察試樣的微觀組織。

2 實驗結果及討論

2.1 極薄帶的表面質量

圖3 極薄帶表面質量Fig.3 Surface quality of metal foil

2.2 極薄帶的微觀組織

圖4為30 μm極薄帶軋制態(tài)軋面組織不同放大倍數(shù)的透射電鏡(TEM)明場像和暗場像照片。

圖4 極薄帶組織TEM形貌及多晶區(qū)電子衍射Fig.4 TEM images of thickness foil and selected area electron diffraction

由圖4可看出：極薄帶微觀組織主要由等軸晶粒和拉長晶粒組成，等軸晶顯著，組織較均勻，圖4(a)中的衍射環(huán)進一步證實了多晶的存在；等軸晶粒平均尺寸小于300 nm，其由軋制過程中晶粒之間互相擠壓切割而成；存在少量粒寬度為50～250 nm的拉長晶，晶粒內部存在大量位錯，其由異步軋制所致[13]；整個軋制過程中晶粒從圖1(c)所示宏觀晶粒減少到圖4所示納米級超細晶，塑性變形劇烈。

圖5 為退火態(tài)試樣側面金相組織。由圖5 可觀察到：試樣經退火處理，晶粒長大到微米級尺寸，晶粒沿試樣法向和軋制方向同時長大，絕多數(shù)晶粒成為等軸晶，尺寸為15～20 μm；晶粒邊界平直度較高，晶粒邊界基本呈多邊形輪廓。晶粒長大是由晶?；ハ嗤滩⑼瓿傻?，吞并過程又是通過晶界逐漸移動而進行的。晶界移動受曲率影響，彎曲的晶界有向其曲率中心移動的趨勢，使晶界平直化。

圖5 退火態(tài)極薄帶金相組織Fig.5 Microstructure of metal foil by annealing

2.3 極薄帶的力學性能

圖6 為厚度30μm 高純鈦極薄帶工程應力-工程應變曲線及拉伸樣。曲線1 為軋制態(tài)，曲線2 為退火態(tài)。由圖6 可知：軋制態(tài)高純鈦極薄帶由于軋制過程中的加工硬化，拉伸過程中應力隨應變急劇上升，應變?yōu)?%時，應力達650 MPa，且拉伸試樣斷裂，極薄帶塑性變形區(qū)很窄，塑性成形性能很差；高純鈦極薄帶退火后明顯軟化，屈服強度降至120 MPa，抗拉強度約250 MPa，延伸率達到10.1%，塑性變形區(qū)變寬，塑性成形性能大幅度提高。

圖6 工程應力-工程應變曲線Fig.6 Engineering stress-strain curves

3 結 論

1) 以電子束熔煉的低氧高純鈦為原料，采用粗軋→中間退火→精軋→再結晶退火工藝制備厚度為30μm的極薄帶，總變形量達99.7%。

2)高純鈦在軋制過程中發(fā)生超延展現(xiàn)象，總延展率達36 667%。整個軋制過程中塑性變形劇烈，晶粒從微米級宏觀晶粒減小到納米級超細晶，獲得的軋制態(tài)極薄帶微觀組織主要由等軸晶粒和拉長晶粒組成，等軸晶粒平均尺寸小于300 nm，同時存在少量粒寬度為50～250 nm 的拉長晶；再結晶退火后，微觀組織為尺寸15～20 μm的等軸晶粒。

3)軋制態(tài)高純鈦極薄帶由于軋制過程中的加工硬化，抗拉強度約650 MPa，延伸率僅1%，極薄帶塑性變形區(qū)較窄，塑性成形性能較差；退火后高純鈦極薄帶明顯軟化，屈服強度降至120 MPa，抗拉強度約250 MPa，延伸率達10.1%，塑性變形區(qū)變寬，塑性成形性能大幅度提高。