舰船耐压部件用TA5钛合金中厚板制备工艺优化及性能保障研究——系统探究近相变点轧制温度变形量成品退火温度对板材微观组织、室温拉伸性能及冲击吸收能量的影响，确保产品满足GJB 944A-2018规范要求并实现性能提升

TA5钛合金因其具有良好的成形性、强度、焊接性能以及耐海水腐蚀性，广泛应用于船舶制造行业，例如舰船和潜艇上的一些受力部件、螺栓以及耐压部件等 [1−2]。其名义成分中含有0.005%(质量分数)的B元素，B元素能够细化晶粒、提升弹性模量，因此，TA5钛合金具有较好的综合性能。而在实际生产过程中，由于TA5为密排六方结构，滑移系较少，变形抗力大，滑移系的开动和位错的运动需要更多的外界能量，板材表面易出现室温现象萌生裂纹，导致TA5钛合金板材的成材率较低 [3−5]。而高温下的热能和轧制时的外界应力会加快原子间的扩散，弱化了晶粒之间的结合强度，最终使得相邻晶粒在应力作用下发生滑动，从而容易产生变形[6-8]。因此，本文通过采取近相变点(T。以下30~50℃)温度、多道次、单向轧制的方式，以改善板材的表面质量,消除板材的横纵向力学性能差异,达到提升TA5钛合金板材质量的目的。其中,20mm板材轧制后采用空冷的冷却方式;55mm板材轧制后采用水冷的冷却方式，以控制厚板冷却过程中的晶粒尺寸长大。最后，通过不同温度下的成品退火制备了厚度为55和20mm的TA5钛合金板材，并对其显微组织和室温力学性能进行了分析。以期研究结果为TA5钛合金中厚板的实际生产提供思路和依据。

1、实验方法

本实验所用材料为厚度为270mm的TA15钛合金板坯，相变点为995~1000℃，板坯主要化学成分如表1所示，满足GJB 944A2018要求。

表1 TA5钛合金板坯主要化学成分(%，质量分数)

轧制设备为轧辊辊身长度为2800mm的四辊热轧机，其中，厚度为55mm的成品板材经过一火次轧制，轧制温度为920~960℃，总变形量约为80%;厚度为20mm的成品板材经过两火轧制，火轧制温度为920~960℃，总变形量约为75%，二火轧制温度为900~940℃，总变形量约为60%。

TA5钛合金板材轧制完成后，厚度为55mm的板材快速矫直后进行水冷处理，冷却至200℃以下空冷至室温，厚度为20mm的板材快速矫直后空冷至室温。最后，分别将厚度为20、55mm的成品板材分别在650、700℃进行退火处理。通过LeicaD-MI5000M金相显微镜对微观组织形貌进行观察，通过INSTRON5982材料试验机、JB30B冲击试验机分别对TA5钛合金板材的横纵向室温力学性能进行测试。

2、实验结果及分析

2.1宏观形貌分析

可以观察到采用多道次小变形量、增加板坯中间过程补温的措施，板坯表面局部仅出现了局部裂纹。其大多分布在板材的边部区域，这是由于在板材边部失温较严重，轧制时由于温度差异造成不均匀变形，最终形成表面裂纹。尽管如此，相比于前期采用其他工艺制备的TA5钛合金中厚板材大面积的出现裂纹(图1a和图1c)，这种轧制方式还是明显改善了板材的表面质量。

2.2微观组织形貌分析

分别为不同状态下的厚度为55和20mm的TA5钛合金板材横向(Transverse Direc-tion，TD)微观组织形貌，显然，两种退火温度(650和700℃)下的微观组织未发现明显的缺陷存在，呈现片层α组织和等轴α组织的分布状态。当退火温度为650℃时，观察到此时的组织接近于热轧态下的组织，只有比例很少的等轴α组织，显然，此时再结晶处于开始阶段，在微观组织形貌中观察到有少数的长条状组织。这是由于TA5钛合金板材在高温下长时间加热，使得择优取向的晶粒迅速长大。而在板材轧制时，板材上下表面受到强烈的剪切力，晶粒破碎较为充分，而位于板材中心的部位，受力状况越接近于平面应力状态，受到的剪切力较小，因此，板材中心的晶粒不容易破碎，形成组织不均匀性[10]。由于未发生完全再结晶，最终一部分中心区域的长条状组织被保留下来。当退火温度为700℃时，再结晶程度进一步提升，长条状组织发生了再结晶转变为等轴组织，等轴α组织的比例进一步增加。

2.3室温拉伸性能

进一步对经650、700℃成品退火的厚度为55mm的TA5钛合金板材的室温拉伸性能进行了研究，其横纵向的室温拉伸性能分别如图4a和图4b所示，其中，R_m为抗拉强度、Rp0.2为规定非比例延伸强度、A为断后伸长率、Z为断面收缩率。经不同温度退火的TA5钛合金成品板材横纵向的室温拉伸强度相差30MPa以内，其力学性能差异不大。显然，采取近相变点(Tβ以下30~50℃)的高温轧制方式可以有效消除TA5钛合金中厚板的横纵向力学性能的差异。除此之外，当板材成品退火温度提升至700℃时，横纵向拉伸强度均发生了下降，而伸长率和断面收缩率均得到了提升。分析认为:一方面，随着退火温度的升高，再结晶程度进一步提升，板材内α组织进一步球化，等轴α组织比例增加，板材的残余应力进一步得到释放，组织更加均匀;而等轴α组织比例增加，提升了材料的塑形，其与TA5钛合金板材的微观组织形貌也是一致的;此外，随着退火温度的提高，再结晶体积分数上升，降低了材料轧制过程中产生的加工硬化效果。另一方面，经过700℃退火的TA5钛合金板材形成的等轴α组织晶粒尺寸更大，导致材料内部的界面数量减少，对于位错的钉扎作用减小，细晶强化作用减弱[11-13]。因此，会导致材料表现出较高的伸长率和较低的室温拉伸强度。然而，经650、700℃退火的TA5钛合金成品板材，其横纵向室温拉伸强度、屈服强度、伸长率均高于GJB944A-2018[9]中TA5钛合金板材性能数据(表2)。实验结果显示，度相比于 GJB 944A2018提高了9.1%，规定非比例延伸强度提高了16.1%,伸长率高出了28.9%。

表2 GJB 944A2018中TA5钛合金板材性能要求

此外，对经650、700℃成品退火的厚度为20mm的成品板材的横纵向室温拉伸性能也做了测试，实验结果如图5所示。经不同退火温度退火的厚度为20mm的TA5钛合金板材的横纵向室温力学性能均远高于 GJB 944A20189中的要求。此外，由于板材轧制变形温度均为近相变点，高温轧制有利于消除板材横纵向的性能差异，因此板材也表现出相近的横纵力学性能。经700℃退火的厚度为20mm的TA5钛合金板材，其横向室温拉伸强度相比于GJB 944A-20189提高了12.8%，规定非比例延伸强度提高了19.4%，伸长率提高了32.6%。

2.4冲击性能

TA5钛合金用作舰船部件时，会面临冲击断裂造成材料失效的现象，因此，衡量TA5钛合金板材的冲击性能KV2也是一个重要的标准。因此，进一步对TA5钛合金中厚板材进行室温冲击实验测试，实验结果如图6所示，其中，T和L分别代表横向和纵向。由图6可知，相比于经650℃成品退火的TA5钛合金板材，经700℃成品退火的TA5钛合金板材冲击性能进一步得到提升。分析认为，首先，这是由于更高温度的退火使得材料发生了更充分的回复与再结晶，改善了材料内部的缺陷和残余应力，避免了裂纹的萌生;其次，更高温度的退火形成的粒径更大的等轴α组织对于裂纹的扩展起着阻碍作用，粗大的等轴α组织有效减少了材料内部的界面数量，使得裂纹必须绕过等轴α组织，增加了裂纹扩展的路径，提升了材料的冲击性能 [14−15]。此外，经700℃退火的板材，其横纵向的冲击性能均能满足GJB 944A2018的要求(表2)。

3、结论

(1)采用高温多道次的轧制方式，可以有效改善TA5钛合金板材的成材率和板材横纵向力学性能差异。

(2)通过700℃成品退火的TA5钛合金中厚板材表现出最优的综合力学性能。

(3)在700℃成品退火的TA5钛合金中厚板材表现出更佳的冲击性能，材料发生了更充分的回复与再结晶，改善了材料内部的缺陷和残余应力，避免了裂纹的萌生。其次，更多粗大的等轴α组织对于裂纹的扩展起着阻碍作用。

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（注，原文标题：热处理温度对TA5钛合金厚板的组织和室温拉伸及冲击性能的影响）