面向船舶领域的TA24钛合金大口径无缝管材制备工艺研究——聚焦三辊斜轧穿孔技术，探究变形量对微观组织及室温力学性能的影响，为DN200+管材生产提供支撑

TA24(Ti75) 钛合金是我国自行设计研制的新型结构材料，名义成分为 Ti-3Al-2Mo-2Zr，属于近 α 型钛合金，其中 Al 元素起到固溶强化 α 相的作用，Mo 元素起到固溶强化 β 相和改善工艺塑性的作用，Zr 元素起到改善合金焊接性能的作用 [1-2]。该合金具有中强､高韧､耐蚀､可焊等特点，在石油､化工､机械､船舶等领域具有广泛的应用，其中在船舶领域管材应用的较多 [3-5]。

目前，国内钛合金无缝管材的生产方法主要是挤压法和斜轧穿孔法，小口径无缝管材大多采用挤压法制备，大口径无缝管材大多采用斜轧穿孔法制备。科研工作者对TA24钛合金管材的工艺､组织和性能开展了研究。陶欢等 [6] 采用热挤压法制备了TA24钛合金管材，研究了挤压温度和挤压速度对管材组织和性能的影响。赵彬等 [7] 分析了热挤压温度和斜轧穿孔温度对TA24钛合金管坯组织及力学性能的影响。随着TA24钛合金管材在管路系统中应用的深入研究，其应用口径将增加到 DN200 以上。限于设备能力，国内目前无法采用热挤压法生产口径大于 200 mm 的钛合金无缝管材 [8]，只能采用斜轧穿孔法制备。斜轧穿孔工艺是利用曼内斯曼效应使棒坯心部产生疏松区，将穿孔顶头置于疏松区穿孔，从而实现将实心棒坯轧成管坯的成形方法 [9-10]。根据轧辊数，斜轧穿孔机可分为二辊斜轧机和三辊斜轧机。三辊斜轧机较二辊斜轧机省去了导板，不存在导板与轧件间的摩擦，能耗小，轧制效率高；三辊对称布局可使金属受到更均匀的径向压力，减少偏心变形，提高材料成品率；此外，三辊斜轧机结构紧凑，生产过程便于实现自动化，适合大批量生产 [11]。为此，本研究采用三辊斜轧机开展试验，着重研究斜轧穿孔变形量对TA24钛合金组织演变及性能的影响，以获得理想的管材组织及较高的强韧匹配性，为斜轧穿孔法制备TA24钛合金大口径无缝管材提供参考。

1、实验

1.1 实验材料

实验原材料为经 3 次真空自耗电弧熔炼得到的TA24钛合金铸锭，其相变点为 947℃。铸锭经 7 火次锻造，获得 φ78 mm 棒坯，其化学成分如表 1 所示。

表 1TA24钛合金棒坯化学成分 (w/%) 

Table 1 Chemical compositions ofTA24titanium alloy bar billet

采用电阻炉对TA24钛合金棒坯进行 930℃退火处理。退火态TA24钛合金棒坯的金相组织､晶粒尺寸及极图如图 1 所示，室温拉伸性能和冲击吸收能量如表 2 所示。从图 1a 可以看出，930℃退火态棒坯组织为双态组织，含初生 α 相和转变 β 组织。从图 1b 可知，退火态棒坯晶粒尺寸在 3~30 μm 之间，其中尺寸为 8 μm 的晶粒占比最高，大多数晶粒尺寸集中在 5~15 μm，占比达 80%，统计平均晶粒尺寸为 7.15 μm。从图 1c 可知，退火态棒坯极密度最大值为 3.902，说明 930℃退火态棒坯织构较弱。

表 2 退火态TA24钛合金棒坯的室温拉伸性能和冲击吸收能量 

Table 2 Room temperature tensile properties and impact absorbed energy of annealedTA24titanium alloy bar billet

1.2 管材加工及性能测试

采用三辊斜轧机进行管材加工，穿孔温度为 980℃(相变点以上 30℃)，穿孔前棒坯尺寸为 φ78 mm×L，穿孔后管坯尺寸分别为 φ80 mm×13 mm､φ80 mm×10 mm 和 φ80 mm×8 mm，即斜轧穿孔变形量分别设计为 42%､54% 和 62%。

从不同变形量斜轧管材上切取 10 mm×10 mm×10 mm 的金相试样，观察面为管材纵截面，即 AD-RD 面，如图 2 阴影部分所示。其中，RD (Radial direction) 代表管材径向，AD (Axial direction) 代表管材轴向，TD (Tangential direction) 代表管材切向。采用 400#､800#､1200# 砂纸依次打磨试样，然后用体积比为 1∶1 的 SiO₂悬浮液和 H₂O₂溶液抛光，最后用 Kroll 试剂腐蚀 10~30 s。采用 OLYMPUS GX71 金相显微镜进行显微组织观察。再次对金相试样进行机械抛光､电解抛光后，在带有背散射电子衍射 (EBSD) 的扫描电子显微镜下获得棒坯晶粒尺寸､KAM 图､局部取向差柱状图以及 RD-AD 面的 (0001)､(1010)､(1120) 不完整极图。

按照 GB/T 228.1-2021 要求，采用 MTS E45 万能材料试验机对不同变形量TA24钛合金管材进行室温拉伸试验，试样直径为 5 mm，标距为 25 mm。依据 GB/T 229-2020 要求，采用 ZBC2602-B 摆锤式冲击试验机进行夏比冲击试验，试样规格为 7.5 mm×10 mm×55 mm。

2、结果与分析

2.1 组织演变

图 3 为不同变形量斜轧管材的金相照片。从图 3 可以看出，经斜轧穿孔后，TA24钛合金斜轧管材组织为片层组织 + 少许块状 α 相，其中变形量为 42% 时，片层组织最厚，晶界 α 相最多 (图 3a)；变形量为 54% 时，片层组织变薄，晶界 α 相较多 (图 3b)；变形量为 62% 时，片层组织最薄，无明显晶界 α 相 (图 3c)。这是因为随着变形量的增大，管材壁厚越来越小，降温速率越来越快，故片层组织越来越薄 [12]。

图 4 为不同变形量斜轧管材的晶粒尺寸统计结果。变形量为 42% 时，斜轧管材晶粒尺寸为 5~140 μm，其中尺寸为 17 μm 的晶粒占比最高，大多数晶粒尺寸集中在 5~37 μm，占比达 60%，统计平均晶粒尺寸为 11.68 μm。变形量为 54% 时，斜轧管材晶粒尺寸为 5~100 μm，其中尺寸为 11 μm 的晶粒占比最高，大多数晶粒尺寸集中在 5~28 μm，占比达 64%，统计平均晶粒尺寸为 9.87 μm。变形量为 62% 时，斜轧管材晶粒尺寸为 5~70 μm，其中尺寸为 10 μm 的晶粒占比最高，大多数晶粒尺寸集中在 5~25 μm，占比达 64%，统计平均晶粒尺寸为 9.15 μm。随着变形量增大，TA24钛合金管材平均晶粒尺寸减小，这是因为斜轧穿孔过程中变形量越大，晶粒破碎程度越严重，相同温度下再结晶晶粒越小。张旺峰等 [13] 通过研究 TA15 钛合金变形量与 β 晶粒尺寸的关系，发现随着变形量增加，β 晶粒尺寸呈线性下降，且相关系数 R 在 0.997 以上。

图 5 为不同变形量斜轧管材的 KAM 图及其局部取向差柱状图。从图 5 可知，变形量为 42%､54% 和 62% 时，TA24钛合金斜轧管材的平均 KAM 值分别为 0.814°､0.999° 和 1.114°，亚结构比例分别为 22%､37% 和 44%。由此可见，随着变形量的增大，KAM 值逐渐增大，亚结构比例也逐渐增大，TA24钛合金斜轧管材的非均匀变形程度和位错密度增大。当 KAM 值小于 1° 时，不存在亚结构，而在 1°~10° 之间时存在亚晶 [14]。亚结构通常为位错形成的位错墙 (胞) 和亚晶粒。

图 6 为不同变形量斜轧管材 AD-RD 面 (0001)､(1010) 和 (1120) 的不完整极图。从图 6 可以看出，斜轧管材的宏观织构以基面织构为主，基面 (0001) 极图存在明显的密度极值点，(1010) 和 (1120) 极图极密度分布散漫且极密度值较低，这与 TA18 [15]､TA31 [16] 管材主织构类型相同。从图 6a 可知，变形量为 42% 时，斜轧管材 (0001) 极图极密度沿 AD 方向分布，说明 42% 变形量斜轧管材有较强的轴向织构；从图 6b 可知，变形量为 54% 时，斜轧管材 (0001) 极图极密度沿 TD 及 RD 方向分布，说明 54% 变形量斜轧管材有较强的周向和径向织构；变形量为 62% 时，斜轧管材 (0001) 极图极密度沿 TD 方向分布，说明 62% 变形量斜轧管材有较强的周向织构。以上分析表明，随着变形量增加，斜轧管材织构的演变规律为：轴向织构￫周向织构 + 径向织构￫周向织构。随着变形量的增大，基面 (0001) 极密度∥周向织构逐渐占据主导，即斜轧管材切向的压力随着变形量的增大逐渐占据优势 [16]。

2.2 拉伸性能

图 7 为不同变形量斜轧管材的室温拉伸性能。从图 7 可以看出，采用斜轧穿孔工艺制备的TA24钛合金管材拉伸性能优良，随着变形量的增加强度提高，42%､54% 和 62% 变形量斜轧管材的屈服强度平均值分别为 652､676､671 MPa，抗拉强度平均值分别为 766､794､799 MPa。从组织分析可知，随着变形量的增大，斜轧管材平均晶粒尺寸减小。根据霍尔 - 佩奇公式，组织越细小，材料强度越高 [17]，不同变形量斜轧管材强度大小与霍尔 - 佩奇公式吻合。从 KAM 图分析可知，随着变形量增大，TA24钛合金管材非均匀变形程度和位错密度增大，使合金产生应变强化。42%､54% 和 62% 变形量斜轧管材平均延伸率分别为 18%､18% 和 17.5%，其中 62% 变形量斜轧管材延伸率较低，一方面与片层较细，且片层之间协调变形能力较差有关；另一方面，位错在次生 α 相和 β 相之间容易滑动塞积，当集束较小时，位错塞积程度迅速增加，相比于粗大的组织，更容易形成孔洞和裂纹源。

2.3 冲击性能

图 8 为不同变形量斜轧管材的冲击吸收能量。从图 8 可以看出，TA24钛合金管材冲击韧性优良，42% 变形量斜轧管材冲击吸收能量最大，为 74.5 J；随着变形量的增加，冲击吸收能量降低，54%､62% 变形量斜轧管材冲击吸收能量分别为 57､51.5 J。冲击吸收能量由裂纹形成功和裂纹扩展功组成，当 α 片层较细时，α/β 界面数量增加，阻碍位错运动的障碍增多，且片层之间协调变形能力下降，产生应力集中的可能性增大，容易导致裂纹形成，使裂纹形成功降低。因裂纹扩展总是选择能量较低的路径，当 α 片层较细时，裂纹穿过 α 片层所消耗的能量小于裂纹偏转或分叉所需要的能量，故裂纹会穿过 α 片层扩展，降低裂纹扩展能量，从而使裂纹扩展功减小，冲击吸收能量降低 [18]。

3、结论

(1)TA24钛合金棒坯为双态组织，经斜轧穿孔后演变为片层组织，且变形量越大，片层越细，晶粒尺寸越小，亚结构比例越大。

(2)随着变形量增加，斜轧管材织构演变规律为：轴向织构￫周向织构 + 径向织构￫周向织构。

(3)随着变形量增加，TA24钛合金斜轧管材强度升高，冲击吸收能量降低。

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（注，原文标题：斜轧变形量对TA24钛合金管材显微组织及力学性能的影响）