TA15钛合金板叠轧工艺研究

TA15钛合金的名义成分为 Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V ，属于高 Al 当量的近 α 型钛合金。 该合金既具有α 型钛合金的热稳定性和可焊性，又具有接近于 α+β 型钛合金的工艺塑性， 是一种综合性能优良的钛合金。 与国内和西方国家广泛使用的Ti-6Al-4V合金比较， 当工作温度提高到 450～500℃ 时， TA15 合金的强度优越性明显， 可高出 100～150MPa 。 所以，TA15 合金被广泛用于制造高性能飞机的重要构件 [1] 。

目前国内 2mm 厚的TA15钛合金板一般都由冷轧出成品 [2] ，但由于TA15合金冷变形抗力大，冷轧生产工序多，工艺复杂，对设备要求较高。 本文采用轧2800mm 热轧机，通过轧制叠焊的TA15钛板材，直接轧出 2mm 成品板的工艺路线， 期望能利用现有设备， 在满足 TA15 合金薄板工艺与力学性能的基础上提高生产效率，提升产品材料利用率。

1、试验材料和设备

本试验材料采用规格为164mm 厚的 TA15 钛合金板坯，用差热法测得相变点为（ 994±5 ） ℃ ，化学成分满足 GB/T3620 标准要求。 板坯经过三个轧程的热轧轧制后得到 4mm 厚的板材。

主要生产设备为 2800mm 四辊可逆热轧机组和 1780mm 六辊可逆冷轧机组。

2、试验方法

根据长期积累的钛及钛合金轧制经验及 TA15钛合金性能的特点 [3] ：设计了 TA15 钛合金薄板的热叠轧工艺（方案 1 ），传统的冷轧工艺记为方案2 。 对两方案制备的成品板材取样观察金相组织， 测试力学性能，检验板材的材料利用率。

2.1 试验方案1

方案 1 工艺流程为： 表面处理 1→ 重叠焊接 →热轧轧制 → 热处理 → 分离剪切 → 表面处理 2→ 成品切割。 将 4 张 4mm 板材表面处理后使用氩弧焊焊接起来， 焊接后的板材加热后使用 2800mm 热轧机轧制。 轧制设计为 6 道次，道次变形量最大为20% ，总变形量 45% ，单张板材厚度为 2.2 mm ，轧制后的板材进行大气退火处理， 然后使用剪床剪切分离并预剪切，最后校形，表面处理后得到4张成品板材。

2.2 试验方案2

方案 2 工艺流程为：半成品退火 1→ 表面处理1→ 冷轧 1→ 半成品退火 2→ 表面处理 2→ 冷轧 2→ 热处理 → 表面处理 3→ 成品剪切。 将 4 张 4mm板材进行半成品退火， 表面处理后使用 1780 mm冷轧机轧至 2.8 mm 厚半成品板材（冷轧 1 ），轧程变形量为 30% 。 进行一次半成品退火和表面处理；

然后使用 1780 mm 冷轧机由 2.8 mm 轧至 2.2 mm成品厚度（冷轧 2 ），轧制变形量为 21% 。 成品热处理后，板材进行校形，表面处理后最终得到 4 张成品板材。

3、试验结果及讨论

3.1 生产效率对比

方案 1 不需要中间退火，但需要将半成品板材剪切至相同的长宽尺寸并使用氩弧焊焊接起来；一个轧程就可以将 4mm 厚板材轧至 2.2mm 目标厚度， 从半成品到成品最快 1d 就可以完成生产。 方案 2 需要进行两次中间退火，两次表面处理，表面处理需要进行碱酸洗。 为了防止头部掉渣，轧制前需要在 TA15 合金板材头尾焊接同等厚度的纯钛料头，焊接工序要在等离子焊机上进行，轧制时为了尽可能避免裂纹、边裂等缺陷，还要使用温轧炉预先对板材进行加热处理，冷轧从半成品到成品最快需要 4d 时间。 综上所述， 方案 1 的生产效率要大大高于方案 2 。

3.2 材料利用率对比

两种生产工艺工序损耗与材料利用率见表 1 。

由表 1 可以看出： 由于方案 2 需要进行多次表面处理，其会大大提高板材的无形损耗。 切边、切头尾等有形损耗，两种工艺几乎一样。 综上所述，方案1 比方案 1 的材料利用率要高出 5% 。

3.3 组织性能对比

对两种方案所得到的 2mm 厚 TA15 合金板材进行相同制度的热处理， 取试样观察横纵向显微组织，如图 1 所示。 两种方案生产出的成品板材，其显微组织均为（ α+β ）两相区加工的均匀组织。两者组织形貌主要差异在： ① 方案 1 板材组织中存在约 <10% 的“加工流线”，而方案 2 板材组织基本呈现等轴状，无明显“加工流线”； 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 板材的组织更加细小。

按 GJB2505A-2005 标准取样测试室温力学性能，结果如表 2 所示。 由表 2 可以看出：两种方案在相同制度的热处理后性能均满足 GJB2505A-2005标准要求， 而且都有很大的富裕量。 方案 2 的抗拉强度要高于叠轧板材 30MPa 左右，这是因为冷轧板材晶粒尺寸更加细小 [4] ，组织更加均匀，两种加工工艺板材断后伸长率相差不大。

4、结论

（ 1 ） 热叠轧比冷轧缩短了工艺流程， 减少了中间工序，生产周期要比冷轧缩短 3d 时间。

（ 2 ） 热轧叠轧工艺的材料利用率要比冷轧工艺高出 5% 。 采用两种工艺都能生产出满足力学性能和工艺性能要求的钛板材。

参考文献：

[1] 李兴无 ．TA15 合金及其在飞机结构中的应用前景 [J]． 钛工业进展， 2003 ， 20(4) ： 90-94．

[2] 刘瑞明 ．TA15 合金板材的组织与性能研究 [J]． 材料开发与应用， 2005 ， 20(4) ： 23-26．

[3] 沙爱学，李兴无，储俊鹏 ．TA15 钛合金的普通退火 [J]． 稀有金属， 2003 ， 27(1) ： 213-215．

[4] 张杰，王蕊宁，王彦浩 ． 热处理对 TA15 合金板材组织性能的影响 [J]． 特钢技术， 2014 ， 20(1) ： 27-28