艦船耐壓部件用TA5鈦合金中厚板制備工藝優(yōu)化及性能保障研究——系統(tǒng)探究近相變點(diǎn)軋制溫度變形量成品退火溫度對板材微觀組織、室溫拉伸性能及沖擊吸收能量的影響，確保產(chǎn)品滿足GJB 944A-2018規(guī)范要求并實(shí)現(xiàn)性能提升

TA5鈦合金因其具有良好的成形性、強(qiáng)度、焊接性能以及耐海水腐蝕性，廣泛應(yīng)用于船舶制造行業(yè)，例如艦船和潛艇上的一些受力部件、螺栓以及耐壓部件等 [1?2]。其名義成分中含有0.005%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的B元素，B元素能夠細(xì)化晶粒、提升彈性模量，因此，TA5鈦合金具有較好的綜合性能。而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于TA5為密排六方結(jié)構(gòu)，滑移系較少，變形抗力大，滑移系的開動(dòng)和位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)需要更多的外界能量，板材表面易出現(xiàn)室溫現(xiàn)象萌生裂紋，導(dǎo)致TA5鈦合金板材的成材率較低 [3?5]。而高溫下的熱能和軋制時(shí)的外界應(yīng)力會(huì)加快原子間的擴(kuò)散，弱化了晶粒之間的結(jié)合強(qiáng)度，最終使得相鄰晶粒在應(yīng)力作用下發(fā)生滑動(dòng)，從而容易產(chǎn)生變形[6-8]。因此，本文通過采取近相變點(diǎn)(T。以下30~50℃)溫度、多道次、單向軋制的方式，以改善板材的表面質(zhì)量,消除板材的橫縱向力學(xué)性能差異,達(dá)到提升TA5鈦合金板材質(zhì)量的目的。其中,20mm板材軋制后采用空冷的冷卻方式;55mm板材軋制后采用水冷的冷卻方式，以控制厚板冷卻過程中的晶粒尺寸長大。最后，通過不同溫度下的成品退火制備了厚度為55和20mm的TA5鈦合金板材，并對其顯微組織和室溫力學(xué)性能進(jìn)行了分析。以期研究結(jié)果為TA5鈦合金中厚板的實(shí)際生產(chǎn)提供思路和依據(jù)。

1、實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)所用材料為厚度為270mm的TA15鈦合金板坯，相變點(diǎn)為995~1000℃，板坯主要化學(xué)成分如表1所示，滿足GJB 944A2018要求。

表1 TA5鈦合金板坯主要化學(xué)成分(%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))

軋制設(shè)備為軋輥輥身長度為2800mm的四輥熱軋機(jī)，其中，厚度為55mm的成品板材經(jīng)過一火次軋制，軋制溫度為920~960℃，總變形量約為80%;厚度為20mm的成品板材經(jīng)過兩火軋制，火軋制溫度為920~960℃，總變形量約為75%，二火軋制溫度為900~940℃，總變形量約為60%。

TA5鈦合金板材軋制完成后，厚度為55mm的板材快速矯直后進(jìn)行水冷處理，冷卻至200℃以下空冷至室溫，厚度為20mm的板材快速矯直后空冷至室溫。最后，分別將厚度為20、55mm的成品板材分別在650、700℃進(jìn)行退火處理。通過LeicaD-MI5000M金相顯微鏡對微觀組織形貌進(jìn)行觀察，通過INSTRON5982材料試驗(yàn)機(jī)、JB30B沖擊試驗(yàn)機(jī)分別對TA5鈦合金板材的橫縱向室溫力學(xué)性能進(jìn)行測試。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1宏觀形貌分析

可以觀察到采用多道次小變形量、增加板坯中間過程補(bǔ)溫的措施，板坯表面局部僅出現(xiàn)了局部裂紋。其大多分布在板材的邊部區(qū)域，這是由于在板材邊部失溫較嚴(yán)重，軋制時(shí)由于溫度差異造成不均勻變形，最終形成表面裂紋。盡管如此，相比于前期采用其他工藝制備的TA5鈦合金中厚板材大面積的出現(xiàn)裂紋(圖1a和圖1c)，這種軋制方式還是明顯改善了板材的表面質(zhì)量。

2.2微觀組織形貌分析

分別為不同狀態(tài)下的厚度為55和20mm的TA5鈦合金板材橫向(Transverse Direc-tion，TD)微觀組織形貌，顯然，兩種退火溫度(650和700℃)下的微觀組織未發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷存在，呈現(xiàn)片層α組織和等軸α組織的分布狀態(tài)。當(dāng)退火溫度為650℃時(shí)，觀察到此時(shí)的組織接近于熱軋態(tài)下的組織，只有比例很少的等軸α組織，顯然，此時(shí)再結(jié)晶處于開始階段，在微觀組織形貌中觀察到有少數(shù)的長條狀組織。這是由于TA5鈦合金板材在高溫下長時(shí)間加熱，使得擇優(yōu)取向的晶粒迅速長大。而在板材軋制時(shí)，板材上下表面受到強(qiáng)烈的剪切力，晶粒破碎較為充分，而位于板材中心的部位，受力狀況越接近于平面應(yīng)力狀態(tài)，受到的剪切力較小，因此，板材中心的晶粒不容易破碎，形成組織不均勻性[10]。由于未發(fā)生完全再結(jié)晶，最終一部分中心區(qū)域的長條狀組織被保留下來。當(dāng)退火溫度為700℃時(shí)，再結(jié)晶程度進(jìn)一步提升，長條狀組織發(fā)生了再結(jié)晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S組織，等軸α組織的比例進(jìn)一步增加。

2.3室溫拉伸性能

進(jìn)一步對經(jīng)650、700℃成品退火的厚度為55mm的TA5鈦合金板材的室溫拉伸性能進(jìn)行了研究，其橫縱向的室溫拉伸性能分別如圖4a和圖4b所示，其中，R_m為抗拉強(qiáng)度、Rp0.2為規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度、A為斷后伸長率、Z為斷面收縮率。經(jīng)不同溫度退火的TA5鈦合金成品板材橫縱向的室溫拉伸強(qiáng)度相差30MPa以內(nèi)，其力學(xué)性能差異不大。顯然，采取近相變點(diǎn)(Tβ以下30~50℃)的高溫軋制方式可以有效消除TA5鈦合金中厚板的橫縱向力學(xué)性能的差異。除此之外，當(dāng)板材成品退火溫度提升至700℃時(shí)，橫縱向拉伸強(qiáng)度均發(fā)生了下降，而伸長率和斷面收縮率均得到了提升。分析認(rèn)為:一方面，隨著退火溫度的升高，再結(jié)晶程度進(jìn)一步提升，板材內(nèi)α組織進(jìn)一步球化，等軸α組織比例增加，板材的殘余應(yīng)力進(jìn)一步得到釋放，組織更加均勻;而等軸α組織比例增加，提升了材料的塑形，其與TA5鈦合金板材的微觀組織形貌也是一致的;此外，隨著退火溫度的提高，再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)上升，降低了材料軋制過程中產(chǎn)生的加工硬化效果。另一方面，經(jīng)過700℃退火的TA5鈦合金板材形成的等軸α組織晶粒尺寸更大，導(dǎo)致材料內(nèi)部的界面數(shù)量減少，對于位錯(cuò)的釘扎作用減小，細(xì)晶強(qiáng)化作用減弱[11-13]。因此，會(huì)導(dǎo)致材料表現(xiàn)出較高的伸長率和較低的室溫拉伸強(qiáng)度。然而，經(jīng)650、700℃退火的TA5鈦合金成品板材，其橫縱向室溫拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率均高于GJB944A-2018[9]中TA5鈦合金板材性能數(shù)據(jù)(表2)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，度相比于 GJB 944A2018提高了9.1%，規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度提高了16.1%,伸長率高出了28.9%。

表2 GJB 944A2018中TA5鈦合金板材性能要求

此外，對經(jīng)650、700℃成品退火的厚度為20mm的成品板材的橫縱向室溫拉伸性能也做了測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。經(jīng)不同退火溫度退火的厚度為20mm的TA5鈦合金板材的橫縱向室溫力學(xué)性能均遠(yuǎn)高于 GJB 944A20189中的要求。此外，由于板材軋制變形溫度均為近相變點(diǎn)，高溫軋制有利于消除板材橫縱向的性能差異，因此板材也表現(xiàn)出相近的橫縱力學(xué)性能。經(jīng)700℃退火的厚度為20mm的TA5鈦合金板材，其橫向室溫拉伸強(qiáng)度相比于GJB 944A-20189提高了12.8%，規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度提高了19.4%，伸長率提高了32.6%。

2.4沖擊性能

TA5鈦合金用作艦船部件時(shí)，會(huì)面臨沖擊斷裂造成材料失效的現(xiàn)象，因此，衡量TA5鈦合金板材的沖擊性能KV2也是一個(gè)重要的標(biāo)準(zhǔn)。因此，進(jìn)一步對TA5鈦合金中厚板材進(jìn)行室溫沖擊實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，其中，T和L分別代表橫向和縱向。由圖6可知，相比于經(jīng)650℃成品退火的TA5鈦合金板材，經(jīng)700℃成品退火的TA5鈦合金板材沖擊性能進(jìn)一步得到提升。分析認(rèn)為，首先，這是由于更高溫度的退火使得材料發(fā)生了更充分的回復(fù)與再結(jié)晶，改善了材料內(nèi)部的缺陷和殘余應(yīng)力，避免了裂紋的萌生;其次，更高溫度的退火形成的粒徑更大的等軸α組織對于裂紋的擴(kuò)展起著阻礙作用，粗大的等軸α組織有效減少了材料內(nèi)部的界面數(shù)量，使得裂紋必須繞過等軸α組織，增加了裂紋擴(kuò)展的路徑，提升了材料的沖擊性能 [14?15]。此外，經(jīng)700℃退火的板材，其橫縱向的沖擊性能均能滿足GJB 944A2018的要求(表2)。

3、結(jié)論

(1)采用高溫多道次的軋制方式，可以有效改善TA5鈦合金板材的成材率和板材橫縱向力學(xué)性能差異。

(2)通過700℃成品退火的TA5鈦合金中厚板材表現(xiàn)出最優(yōu)的綜合力學(xué)性能。

(3)在700℃成品退火的TA5鈦合金中厚板材表現(xiàn)出更佳的沖擊性能，材料發(fā)生了更充分的回復(fù)與再結(jié)晶，改善了材料內(nèi)部的缺陷和殘余應(yīng)力，避免了裂紋的萌生。其次，更多粗大的等軸α組織對于裂紋的擴(kuò)展起著阻礙作用。

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（注，原文標(biāo)題：熱處理溫度對TA5鈦合金厚板的組織和室溫拉伸及沖擊性能的影響）