TA15鈦合金板疊軋工藝研究

TA15鈦合金的名義成分為 Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V ，屬于高 Al 當量的近 α 型鈦合金。 該合金既具有α 型鈦合金的熱穩定性和可焊性，又具有接近于 α+β 型鈦合金的工藝塑性， 是一種綜合性能優良的鈦合金。 與國內和西方國家廣泛使用的Ti-6Al-4V合金比較， 當工作溫度提高到 450～500℃ 時， TA15 合金的強度優越性明顯， 可高出 100～150MPa 。 所以，TA15 合金被廣泛用于制造高性能飛機的重要構件 [1] 。

目前國內 2mm 厚的TA15鈦合金板一般都由冷軋出成品 [2] ，但由于TA15合金冷變形抗力大，冷軋生產工序多，工藝復雜，對設備要求較高。 本文采用軋2800mm 熱軋機，通過軋制疊焊的TA15鈦板材，直接軋出 2mm 成品板的工藝路線， 期望能利用現有設備， 在滿足 TA15 合金薄板工藝與力學性能的基礎上提高生產效率，提升產品材料利用率。

1、試驗材料和設備

本試驗材料采用規格為164mm 厚的 TA15 鈦合金板坯，用差熱法測得相變點為（ 994±5 ） ℃ ，化學成分滿足 GB/T3620 標準要求。 板坯經過三個軋程的熱軋軋制后得到 4mm 厚的板材。

主要生產設備為 2800mm 四輥可逆熱軋機組和 1780mm 六輥可逆冷軋機組。

2、試驗方法

根據長期積累的鈦及鈦合金軋制經驗及 TA15鈦合金性能的特點 [3] ：設計了 TA15 鈦合金薄板的熱疊軋工藝（方案 1 ），傳統的冷軋工藝記為方案2 。 對兩方案制備的成品板材取樣觀察金相組織， 測試力學性能，檢驗板材的材料利用率。

2.1 試驗方案1

方案 1 工藝流程為： 表面處理 1→ 重疊焊接 →熱軋軋制 → 熱處理 → 分離剪切 → 表面處理 2→ 成品切割。 將 4 張 4mm 板材表面處理后使用氬弧焊焊接起來， 焊接后的板材加熱后使用 2800mm 熱軋機軋制。 軋制設計為 6 道次，道次變形量最大為20% ，總變形量 45% ，單張板材厚度為 2.2 mm ，軋制后的板材進行大氣退火處理， 然后使用剪床剪切分離并預剪切，最后校形，表面處理后得到4張成品板材。

2.2 試驗方案2

方案 2 工藝流程為：半成品退火 1→ 表面處理1→ 冷軋 1→ 半成品退火 2→ 表面處理 2→ 冷軋 2→ 熱處理 → 表面處理 3→ 成品剪切。 將 4 張 4mm板材進行半成品退火， 表面處理后使用 1780 mm冷軋機軋至 2.8 mm 厚半成品板材（冷軋 1 ），軋程變形量為 30% 。 進行一次半成品退火和表面處理；

然后使用 1780 mm 冷軋機由 2.8 mm 軋至 2.2 mm成品厚度（冷軋 2 ），軋制變形量為 21% 。 成品熱處理后，板材進行校形，表面處理后最終得到 4 張成品板材。

3、試驗結果及討論

3.1 生產效率對比

方案 1 不需要中間退火，但需要將半成品板材剪切至相同的長寬尺寸并使用氬弧焊焊接起來；一個軋程就可以將 4mm 厚板材軋至 2.2mm 目標厚度， 從半成品到成品最快 1d 就可以完成生產。 方案 2 需要進行兩次中間退火，兩次表面處理，表面處理需要進行堿酸洗。 為了防止頭部掉渣，軋制前需要在 TA15 合金板材頭尾焊接同等厚度的純鈦料頭，焊接工序要在等離子焊機上進行，軋制時為了盡可能避免裂紋、邊裂等缺陷，還要使用溫軋爐預先對板材進行加熱處理，冷軋從半成品到成品最快需要 4d 時間。 綜上所述， 方案 1 的生產效率要大大高于方案 2 。

3.2 材料利用率對比

兩種生產工藝工序損耗與材料利用率見表 1 。

由表 1 可以看出： 由于方案 2 需要進行多次表面處理，其會大大提高板材的無形損耗。 切邊、切頭尾等有形損耗，兩種工藝幾乎一樣。 綜上所述，方案1 比方案 1 的材料利用率要高出 5% 。

3.3 組織性能對比

對兩種方案所得到的 2mm 厚 TA15 合金板材進行相同制度的熱處理， 取試樣觀察橫縱向顯微組織，如圖 1 所示。 兩種方案生產出的成品板材，其顯微組織均為（ α+β ）兩相區加工的均勻組織。兩者組織形貌主要差異在： ① 方案 1 板材組織中存在約 <10% 的“加工流線”，而方案 2 板材組織基本呈現等軸狀，無明顯“加工流線”； ② 方案 1 板材的平均晶粒大小 4.5～5.0μm ，方案 2 板材的平均晶粒大小 3.5～4.0μm ，即方案 2 板材的組織更加細小。

按 GJB2505A-2005 標準取樣測試室溫力學性能，結果如表 2 所示。 由表 2 可以看出：兩種方案在相同制度的熱處理后性能均滿足 GJB2505A-2005標準要求， 而且都有很大的富裕量。 方案 2 的抗拉強度要高于疊軋板材 30MPa 左右，這是因為冷軋板材晶粒尺寸更加細小 [4] ，組織更加均勻，兩種加工工藝板材斷后伸長率相差不大。

4、結論

（ 1 ） 熱疊軋比冷軋縮短了工藝流程， 減少了中間工序，生產周期要比冷軋縮短 3d 時間。

（ 2 ） 熱軋疊軋工藝的材料利用率要比冷軋工藝高出 5% 。 采用兩種工藝都能生產出滿足力學性能和工藝性能要求的鈦板材。

參考文獻：

[1] 李興無 ．TA15 合金及其在飛機結構中的應用前景 [J]． 鈦工業進展， 2003 ， 20(4) ： 90-94．

[2] 劉瑞明 ．TA15 合金板材的組織與性能研究 [J]． 材料開發與應用， 2005 ， 20(4) ： 23-26．

[3] 沙愛學，李興無，儲俊鵬 ．TA15 鈦合金的普通退火 [J]． 稀有金屬， 2003 ， 27(1) ： 213-215．

[4] 張杰，王蕊寧，王彥浩 ． 熱處理對 TA15 合金板材組織性能的影響 [J]． 特鋼技術， 2014 ， 20(1) ： 27-28