国内TA15钛板的工艺研究

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2.2mm，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1780mm冷轧机轧至2.8mm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1780mm冷轧机由2.8mm轧至2.2mm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。

表1损耗与材料利用率(质量分数，%)

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。

表2轧板的力学性能

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．