國內TA15鈦板的工藝研究

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2.2mm，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1780mm冷軋機軋至2.8mm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1780mm冷軋機由2.8mm軋至2.2mm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。

表1損耗與材料利用率(質量分數，%)

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。

表2軋板的力學性能

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．