TC4(Ti-6Al-4V)是一種典型的α－β兩相中強(qiáng)鈦合金，具有比強(qiáng)度高、可焊性好等優(yōu)異的綜合性能[1－3]，與其他鈦合金相比，更具價(jià)格優(yōu)勢(shì)，因此廣泛應(yīng)用于航空、航天、石油、化工等領(lǐng)域。此外，該合金具有無(wú)磁性、抗疲勞、抗海水腐蝕等性能，可承受深海作業(yè)下海水對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生的往復(fù)應(yīng)力、沖擊及腐蝕[4]，同時(shí)減小設(shè)備的磁場(chǎng)效應(yīng)，是十分理想的海洋工程用材。TC4鈦合金無(wú)縫管材可由斜軋穿孔、擠壓、鉆孔等方法制備管坯，熱軋、冷軋、徑向鍛造、旋壓、拉拔等方法制備成品管材[5－9]，其中，斜軋穿孔制坯并冷軋的方法制備的管材綜合性能最好，并兼具一定的經(jīng)濟(jì)性。
本文以斜軋穿孔法制備的φ88mm×9mm規(guī)格TC4鈦合金管坯為研究對(duì)象，通過(guò)4道次冷軋、3次中間退火及最終退火制備海洋工程用φ41mm×2.5mm規(guī)格TC4鈦合金管材，并檢測(cè)成品管材的室溫拉伸性能。系統(tǒng)研究冷軋時(shí)Q值(減壁率與減徑率之比)對(duì)TC4鈦合金管材織構(gòu)的影響規(guī)律，為T(mén)C4鈦合金的應(yīng)用提供理論依據(jù)。
1、試驗(yàn)材料及方法
試驗(yàn)材料為φ88mm×9mm規(guī)格TC4鈦合金管坯(斜軋穿孔法制備)，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為:Al(6.29)，V(4.11)，F(xiàn)e(0.03)，C(0.002)，O(0.16)，N(0.003)，H(0.003)，Ti(余量)。
管材冷軋?jiān)囼?yàn)采用二輥式冷軋管機(jī)，軋機(jī)芯棒材質(zhì)采用硬質(zhì)合金，具體工藝路線(xiàn)見(jiàn)圖1。
中間退火時(shí)采用空氣爐退火，退火溫度750～850℃，保溫1h，出爐空冷。退火后，用鏜孔機(jī)去除管坯內(nèi)表面氧化皮及其他缺陷，鏜孔過(guò)程中使用皂化液潤(rùn);管材拋光機(jī)去除管坯外表面缺陷，局部缺陷用修刮片去除。
管材最終退火采用真空退火，要求退火爐真空度≤0.1Pa，退火溫度為750～850℃，保溫1h后，隨爐冷卻至室溫。退火前，在堿洗槽中去除管材內(nèi)外表面的油污。堿液為85%NaOH和15%NaNO3的水溶液(質(zhì)量濃度)，溫度為80～90℃，浸泡時(shí)間為6h。退火后，在酸洗槽中酸洗去除內(nèi)外表面的氧化層。酸液為30%HNO3+5%HF水溶液，酸洗時(shí)間為5～15min。酸洗后，使用高壓水槍將管坯內(nèi)外表面的殘余酸液沖洗干凈，并將管坯于室溫風(fēng)干。
對(duì)成品管材取試樣進(jìn)行室溫拉伸力學(xué)性能測(cè)試。對(duì)第2次、第3次中間退火后管坯和成品管材取樣進(jìn)行金相組織、織構(gòu)測(cè)試。測(cè)試設(shè)備為配備HKL－EBSD系統(tǒng)的ZEISSSUPＲA55型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡。
2、結(jié)果及討論
2.1力學(xué)性能
對(duì)φ41mm×2.5mm規(guī)格TC4鈦合金成品管材取試樣進(jìn)行室溫拉伸力學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試方法為GB/T228.1-2010，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，可見(jiàn)，冷軋管材強(qiáng)度高、塑性好，綜合性能遠(yuǎn)超棒材水平(棒材室溫拉伸的抗拉強(qiáng)度為895～1000MPa，伸長(zhǎng)率為10%～15%)。
2.2組織及取向特征
管坯第2次中間退火試樣內(nèi)表層α相取向以?xún)A轉(zhuǎn)基面織構(gòu)(＜0001＞織構(gòu))為主，其α相取向沿軋向(RD)擇優(yōu)不明顯，說(shuō)明內(nèi)表面主要進(jìn)行的是減壁變形，見(jiàn)圖2(a)、(b)。中間層α相取向也以?xún)A轉(zhuǎn)基面織構(gòu)為主，但從極圖中可觀察到，α相取向以RD為軸偏移，說(shuō)明中間層受軸向拉力的作用加大，見(jiàn)圖2(c)、(d)。外表層α相取向與中心層類(lèi)似，也以?xún)A轉(zhuǎn)基面織構(gòu)為主，并以RD為軸偏移，見(jiàn)圖2(e)、(f)。取向分布圖中出現(xiàn)的黑點(diǎn)與殘余應(yīng)力或變形缺陷有關(guān)，說(shuō)明第2次中間退火時(shí)并未發(fā)生完全的再結(jié)晶。
由此可見(jiàn)，管坯第2次中間退火后，厚度方向的織構(gòu)差異不大，以?xún)A轉(zhuǎn)基面織構(gòu)為主;內(nèi)表面層的變形量更大，因此晶粒更細(xì)小;中心層α相的取向沿RD偏移程度較小，說(shuō)明，中心層變形以減壁變形為主。
管坯第3次中間退火試樣內(nèi)表面α相取向以?xún)A轉(zhuǎn)基面織構(gòu)為主，α相取向沿RD擇優(yōu)明顯，說(shuō)明軋制過(guò)程中晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)受軸向拉力的作用較大，主要進(jìn)行的是減徑變形，見(jiàn)圖3(a)、(b)。中間層α相取向仍以?xún)A轉(zhuǎn)基面織構(gòu)為主，并沿RD傾轉(zhuǎn)至柱面織構(gòu)(＜1－100＞織構(gòu))，說(shuō)明軸向力的作用加強(qiáng)，見(jiàn)圖3(c)、(d)。外表面α相取向與中心層類(lèi)似，也以?xún)A轉(zhuǎn)基面織構(gòu)為主，并以RD為軸偏移，見(jiàn)圖3(e)、(f)。取向分布圖中出現(xiàn)的黑點(diǎn)與殘余應(yīng)力或變形缺陷有關(guān)。
由此可見(jiàn)，管坯第3次中間退火后，厚度方向的織構(gòu)有一定的差異:中心層以?xún)A轉(zhuǎn)基面織構(gòu)為主，說(shuō)明變形以減壁變形為主;外表面受到軸向力的作用更大，并逐漸沿RD傾轉(zhuǎn)至＜1－100＞織構(gòu)，說(shuō)明以減徑變形為主;內(nèi)表面層的變形量更大，晶粒更細(xì)小，不均勻程度也更高。
管坯最終退火試樣內(nèi)表面層α相取向以＜1－100＞為主，管軸向RD擇優(yōu)明顯，說(shuō)明受軸向拉力的作用較大，見(jiàn)圖4(a)、(b)。外層α相取向與內(nèi)層相似，但織構(gòu)強(qiáng)度更大，見(jiàn)圖4(c)、(d)。隨著冷軋及退火次數(shù)的增多，α相晶粒尺寸逐漸減小，見(jiàn)表2。內(nèi)表面位置晶粒尺寸相對(duì)更小、更不均勻，也能說(shuō)明其變形量更大。
2.3冷軋過(guò)程中Q值對(duì)織構(gòu)演變的影響
TC4鈦合金冷軋管材制備難度最大的是冷軋工藝，而冷軋的關(guān)鍵在于變形量及Q值的控制。文獻(xiàn)[10]提出，對(duì)于TA18鈦合金冷軋管材，當(dāng)Q值≤1.17時(shí)，表面光潔且無(wú)裂紋，對(duì)于TA22，是Q值≤1.12。可見(jiàn)，不同的鈦合金，Q值的控制范圍不同。但基本規(guī)律是，Q值越大，表面質(zhì)量越差。
TC4鈦合金管材的織構(gòu)與Q值相關(guān)性較大，本試驗(yàn)中4次冷軋的Q值分別為2.44、0.86、1.50、0.77。當(dāng)Q值較大時(shí)(第3次冷軋，Q=1.50)，即以減壁為主時(shí)，內(nèi)表面主要進(jìn)行減壁變形，取向以?xún)A轉(zhuǎn)基面織構(gòu)為主;外表面以減徑變形為主，取向沿RD方向傾轉(zhuǎn)。當(dāng)Q值較小時(shí)(第2次冷軋，Q=0.86，第4次冷軋，Q=0.77)，即
以減徑為主時(shí)，內(nèi)、外表面主要進(jìn)行減徑變形，取向由傾轉(zhuǎn)基面織構(gòu)沿RD方向傾轉(zhuǎn)至＜1－100＞織構(gòu)。這可以從另一方面說(shuō)明，當(dāng)Q值較大時(shí)，由于內(nèi)外表面的主要變形方式不同，變形更難以協(xié)調(diào)，管坯易產(chǎn)生裂紋，因此表面質(zhì)量較差。
3、結(jié)論
(1)TC4鈦合金管材制備過(guò)程中，隨冷軋及退火次數(shù)的增多，α相晶粒不斷經(jīng)歷變形及再結(jié)晶，因此α相晶粒尺寸逐漸減小;在中間退火及最終退火后，管坯的α相晶粒尺寸由外表面至內(nèi)表面依次遞減，且不均勻程度提高，說(shuō)明管坯由外表面至內(nèi)表面的變形量逐漸提高。
(2)TC4鈦合金管材的織構(gòu)與冷軋時(shí)的Q值相關(guān)性較大。當(dāng)Q值較大時(shí)，內(nèi)表面主要進(jìn)行減壁變形，取向以?xún)A轉(zhuǎn)基面織構(gòu)為主;外表面以減徑變形為主，取向沿RD方向傾轉(zhuǎn)。當(dāng)Q值較小時(shí)，內(nèi)、外表面主要進(jìn)行減徑變形，取向由傾轉(zhuǎn)基面織構(gòu)沿RD方向傾轉(zhuǎn)至柱面織構(gòu)。
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