轧制工艺对源于EB熔铸TC4板材组织和性能的影响

                                               
                                                  轧制工艺对源于EB熔铸TC4板材组织和性能的影响

 
     钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀、高低温特性好等诸多优点，广泛应用于航空航天、海洋工程、化 工、医疗等领域。由于钛合金熔炼过程要求苛刻，成形难度大，生产成本居高不下 ，限制了其更广泛应用。目前，低成本加工成形技术是钛合金低成本化的主要途径之一 ，已成为当前钛合金技术研究的热点。

    Ti-6Al-4V（TC4）是应用最广泛的钛合金，目前工业TC4钛合金板材是将2~3次真空自耗电极电弧熔铸成钛合金圆锭，经开坯热加工成扁锭，去除表层氧化皮后轧制成各种规格的板材。电子束冷床熔炼（electron beam cold hearth melting，EB）有可直接熔铸满足轧制尺寸要求钛合金扁锭的优势，若直接用于板材轧制，较 现行的真空自耗电极电弧熔铸流程，可省去由圆锭开坯成扁锭的热加工工序及相应的表面处理工序，从而缩短工艺流程和提高材料利用率，实现产品成本的降低。目前科研工作者在这方面已开展了一些研究，Ka‐ linyuk 等和 Wood 研究均表明，EB 熔铸 TC4 合金成分波动较两次真空自耗电极电弧熔铸的宽，轧制板材的力学性能与之相当或更好。研究了 EB 铸坯直接轧制出合格的 TC4钛合金板材，通过提高材料利用率成本节省了 37%。报道了单次 EB熔铸的TC4钛合金铸坯多火次轧制情况，结果表明铸坯直轧的板材力学性能满足国家标准要求，且显微组织与力学性能达到锻坯制备板材的水平。研究了低成本 TC4 钛合金宽幅板的研制，提出用 0.6~2.0 mm 纯钛板包覆轧制 EB 熔铸 TC4 钛合金板坯的方法，可有效控制轧制裂纹的产生。研究了轧制火次对显微组织、织构和力学性能的影响规律，同时研究了EB熔铸TC4钛合金铸坯的热变形行为并建立了本构方程。研究了 EB 熔铸 TC4 铸 锭单向及交叉轧制对显微组织及力学性能的影响，发现两次换向轧制得到的板材性能最佳。钛合金铸态组织为片层结构，必须通过两相区的强烈变形才能使其等轴化 ，真空自耗电极电弧熔铸流程 TC4钛合金板材的轧制温度均在β相变点（Tβ ）以下，目前关于EB熔铸 TC4钛合金铸坯在 Tβ上、下直接轧制，对显微组织、 力学性能的影响研究鲜有报道。 

对EB熔铸的TC4钛合金扁锭，分别在Tβ 上、下直接轧制，研究相应工艺条件对合金板材显微组织和力学性能的影响规律，为完善EB铸坯制备低成本 TC4钛合金板材工艺技术体系提供经验和理论依据。

1.1 材 料 

用 0级海绵钛、Al-55V 合金和纯铝豆（Al≥99.9%， 质量分数，下同），考虑到 EB 熔铸过程中 Al 的挥发损 失，将Al以7~8%的比例添加，其余成分按名义成分添加，原料先经真空自耗电极电弧炉熔炼1次，进行合金化和初步成分均匀化，然后在 3 150 kW 大型 EB 炉熔 铸成 TC4 钛合金铸锭，经铣面、修磨后得到尺寸为 1 250 mm×200 mm×7 800 mm 的扁锭，分切后进行轧制，扁锭的实物图及金相组织所示。采用连续升温金相法测得相变温度为（995±5）℃
 

1.2 轧制工艺 

 试验设置 A、B 两种工艺，均分 3 个轧程轧制得到 8 mm厚度的板材，第1轧程沿铸锭长度方向轧制，第2 轧程换向轧制，第 3轧程轧制方向与第 2轧程的相同， 单个轧程变形量约为 60%。工艺 A第 1轧程加热温度 为（965±5）℃，工艺 B 第 1 轧程加热温度为（1 065± 5）℃；两种工艺第2轧程加热温度为（945±5）℃；工艺 A 第 3 轧程加热温度为（930±5）℃，工艺 B 第 3 轧程加 热温度为（920±5）℃。1.3 分析检测金相试样用 V（HF）∶V（HNO3 ）∶V（H2O）=1∶3∶7腐蚀液浸蚀，在 OLYMPUS GX51 光学显微镜和 Gemini SEM300 场发射扫描电子显微镜上进行显微组织观察；拉伸性能检测在 Instron1251 型万能试验机上进行，力学性能测试后对试样的拉伸断口形貌进行观察， 用 Image -ProPlus 软件对显微组织进行测量和统计分析。
 

2.1 表面质量 

 

 TC4 钛合金扁锭第 1 轧程轧制变形后的板材形貌。板材表面均呈黄褐色，这是由于在加热及轧制过程中板坯氧化所致，依据氧化色判断为浅表氧化 。工艺A第1轧程得到的半成品板面出现多处宏观裂纹，板面中部裂纹最深为 3 mm，边部裂纹尤为突出，最深裂纹为5 mm。工艺B得到的半成品表面质量较好，仅出现较少的浅表裂纹，最深为 0.5 mm，边部表面质量明显改善。两种工艺的第2、3轧程轧制后表面质量较好，仅出现少许浅表裂纹。

  第1轧程轧制前对铸锭长时间的驻炉加热势必在其表层形成富氧α层，其是一种硬脆相 ，在轧制变形时易产生微裂纹。试验扁锭显微组织为魏氏组织，本身塑性差，在轧制中由于表层散热及与低温轧辊接触传热，使浅表金属降温较快，进而导致浅表金属塑性下降，在轧制过程中协调变形能力变差。而浅表区域在轧制过程中变形应力高、应变大 ，为表层微裂纹扩展提供了有利条件，板坯边部降温更快，材料塑性更低，导致开裂更严重。工艺 B 第 1 轧程加热温度为 1 065 ℃，TC4 合金进入 β 单相区，晶体结构转变为体心立方结构而具有更多滑移系，温度升高，滑移系的临界分切应力降低，材料塑性变形能力增强，更高的加热温度减弱了表层降温较快的影响，因此表面开裂明显改善。

 

对第 1 轧程半成品板材试样进行拉伸测试，工艺 A第1轧程板材横向（TD）的伸长率为9%，断面收缩率为 27%；工艺 B 第 1轧程板材 TD 方向的伸长率为 9%， 断面收缩率为20%，塑性指标明显改善。文献研究表明，TC4铸坯第 1轧程板材表层和心部组织不均匀， 表层的片层α更易被破碎和等轴化，塑性更好。同时， 由于板材厚度减薄，第 2、3 轧程坯料均热所需的驻炉时间缩短，表层氧化程度减轻。因此，后续两个轧程的板材表面质量好转。

 

2.2 显微组织 

 

工艺A第1轧程半成品板材的金相组织，初生 α 呈多种形态，由 EB 铸态长片状部分断裂为多个连续的短棒状 α，部分仍为片状 α，但长宽比较铸态明显变小，局部出现等轴α，显微组织不 均匀。工艺B第1轧程半成品板材金相组织如图3d所示。为细片层 α和 β晶界，与铸态组织相比，α片层显著变薄，β 晶粒内出现多个不同取向的 α 集束并相互截断。工艺A第2轧程轧制后板材的金相组织，α破碎更充分，显微组织主要由等轴初生α和β 转变组织构成，且有次生 α 析出，存在个别拉长的 α 条。工艺B第2轧程轧制后板材的组织，主要由短棒状初生 α、等轴初生 α和 β转变组织构成，局部存在与轧制方向（RD）同向的长条状 α，较工艺 A 初生α相比例高、β相比例低。工艺A第3轧程轧制后组织破碎得更充分，初生α长宽比进一步减小， 而工艺 B第 3轧程轧制后初生 α相沿 RD方向被拉长， 呈纤维状（图 3f），初生 α 相间存在 β 相，与工艺 A 相 比，工艺B条件下α等轴化程度低。

2.3 力学性能 

 

 第 3 轧程轧制后 TC4 钛合金板材的拉伸测试结果。工艺 A 获得板材 TD 方向的抗拉强度 Rm为 939 MPa、屈服强度 Rp0.2为 850 MPa、断后伸长率 A 为 12.5%，工艺 B 获得板材 TD 方向的 Rm为 926 MPa、Rp0.2 为 884 MPa、A为 16.5%，均满足 GB/T 3621—2007中对 TC4 钛合金板材室温力学性能的要求（Rm≥895 MPa、 Rp0.2≥830 MPa、A≥10%），表明两种工艺均能获得力学性能合格的板材。两种工艺条件下沿 RD方向的抗拉 强度均较 TD方向的高，工艺 A条件下高出 19 MPa，工艺 B 条件下高出 48 MPa，这可能与第 3 轧程轧制后初生 α 晶粒长度方向与 RD 方向相同有关，当沿 RD 拉伸 时，拉伸轴与拉长的条状α成较小角度，相互平行的条 状 α 起到增强作用；当沿 TD 方向拉伸时，拉伸轴与条状α相呈较大角度，使条状α相间的联系大幅减弱，导致条状 α的增强作用基本消失 。工艺 B获得的 TC4 钛合金板材，β 相以片层状和小岛状存在，分散更均匀，增加了两相界面，从而屈服强度较高。工艺B获得的板材 RD 和 TD 方向的塑性指标相当，工艺 A 条件下伸长率明显各向异性，这可能与轧制织构有关，织构是影响合金力学性能各向异性的主要因素之一。
 

2.5 讨 论 

 

以EB炉熔铸的TC4钛合金扁锭为坯料，通过直接轧制工艺生产钛合金板材，与真空自耗电极电弧熔炼流程生产板材相比，省去了铸坯开坯环节，工艺流程变短，同时也省去了开坯后的铣面、修磨等需人工处理的瓶颈环节，提高了材料利用率和生产效率，从而降低生 产成本。虽然在两种工艺条件下均能获得性能合格的产品，但 Tβ以下进行第 1 轧程导致中间半成品表面开裂，需通过大量表面修磨才能去除，不适合工业大批量生产和降低成本的技术目标。而在Tβ以上进行第1轧 程，利用了 TC4钛合金在 Tβ以上塑性变形能力提升的性质，半成品板材表面质量明显改善，这与钛合金锻件需要在 Tβ温度以上开坯的原理相同。但 Tβ以上进行 第 1 轧程获得的依然是魏氏组织，片层组织的破碎承压到后续轧制环节，研究发现，第1轧程轧制后的片层组织相比铸态片层组织更薄更密，在后续轧制过程中有利于组织细化，第 2 轧程轧制取得了较好地破碎和球化效果，但仍存在长条状的初生 α，在第 3轧程轧制后组织均匀性改善。本研究中目标板材厚度为8 mm， 第 2、3 轧程轧制的单次变形量均接近 60%，较大的变形量为组织的细化和均匀化提供了有利条件。然而用相同厚度的铸坯直接轧制更厚规格板材，Tβ以下的累计变形量势必减小，相关工艺需进一步研究。 
 

1）以 EB 炉熔铸的 TC4 钛合金扁锭为坯料，用 A、 B两种工艺，分3个轧程制备8 mm厚度的钛合金板材， 第 1 轧程的加热温度显著影响半成品板材的表面质量，工艺A加热温度在Tβ以下（965 ℃），半成品板材表面出现严重的宏观裂纹，而工艺 B 加热温度在 Tβ以上 （1 065 ℃），半成品板材表面质量显著改善，得到薄片 层α的魏氏组织，片层厚度减薄有利于组织的破碎，从而工艺 B 第 2轧程后板材初生 α 细化程度与工艺 A 相 当，第3轧程轧制后组织均匀性进一步提高。

 

2）两种工艺第3轧程变形后，工艺A获得板材TD 方向的Rm为939 MPa、Rp0.2为850 MPa、A为12.5%，工艺 B获得板材TD方向的Rm为926 MPa、Rp0.2为884 MPa、A 为16.5%，均满足GB/T 3621—2007中对TC4钛合金板材室温力学性能的要求，但工艺 B 制备的板材 Rp0.2较高且表现出各向异性。因此，推荐采用工艺 B，即第 1轧程加热温度为1 065 ℃、第2轧程为945 ℃、第3轧程 为 920 ℃和单次变形量约为 60% 的工艺来实施 EB 铸坯直接轧制TC4钛合金板材。

 

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