轧制后退火对TA2钛板成形性能的影响

党宏

摘 要：纯钛本身是一种具有诸多优良性能的金属，比钢要轻，强度却与钢差不多，且耐高温。纯钛可以经过热锻、热轧、冷轧、酸洗等经过特殊工艺处理后形成钛板；退火工艺应用于TA2钛板轧制过程当中，首先将钛金属加热，持续一段时间后，再选用适宜速度冷。基于钛金属特性与退火工艺特点，本文将对压制后退火对TA2钛板成形性能的影响展开研究。

关键词：轧制；退火；TA2钛板；成形性能

前言：本文首先对TA2纯钛进行了轧制处理，之后应用退火工艺，再进行杯突试验，进而获取不同情况下的杯突值。通过观察与测量，探究TA2的杯突值增大的影响因素；结果表明，退火工艺处理后的TA2钛板会发生回复结晶现象，由此得到的α晶粒组织，会引起TA2的杯突值增高，最大值能够达到9.6 mm，最终使TA2钛板成形性能得到显著提升。

1.实验概述

1.1 实验方法及流程

本文为研究轧制后退火对TA2钛板成形性能的影响，采用了杯突试验为实验方法，需要应用万能薄板成型试验机进行实验，应用中可以控制相关参数如下：压边力为30kN；荷载作用为0.3kN；凸模速度保持在10 mm/min。在实验进行当中，需要注意以下两点：①控制球形冲头给进速度在较低范围内，在更接近试样破裂的时候，速度还要再度降低；这种速度控制方法，能够帮助实验测量出准确的穿透裂缝出现的时间点。②严格控制球形冲头的操作，在穿透裂缝出现，应同时停止操作。实验中裂缝穿透试样厚度時，能够得出凸模的位移值，也就是实验所需的杯突值，在杯突件上再次取样之后，应用维氏硬度分析设备，对不同试样的硬度进行测量并取的平均值（测量试样选取3个，加载力49.03 N，时间持续10 s）。试样经过腐蚀处理后，应用显微镜与扫描电镜惊醒组织分析，进而判断轧制后退火对TA2钛板成形性能的影响[1]。

1.2 实验材料

TA2纯钛板；6组长方体试样（使用数控线切割机床将经过退火处理的TA2钛板切割成而）；纯钛杯突薄板（TA2经轧制、热处理等工艺处理后获得）；18个杯突试样（由原始试样经轧制、退火处理后获得；每一种工艺作用下取3个平行试样）；对照组（不采用退火工艺进行杯突实验）；实验组（700℃下，保温30 min后采取退火工艺处理，接着再进行杯突试验）。

2.实验结果及分析

2.1 凸模成形力与位移关系

通过两个实验组的对比，能够得出凸模成形力与凸模位移之间存在一定的正向影响关系。对比结果显示，经过退火工艺处理后的凸模位移与对照组的凸模位移具有很大差异，由此也能够得出杯突试验中，试样的杯突深度差异也十分显著，进而可以得出退火处理会对TA2钛板成形性能造成极大影响。

2.2 杯突深度与维氏硬度

对照组中，通过实验测量的出杯突最高只能达到6.1 mm，维氏硬度的最高值为287.75 HV；实验组中，经过退火工艺处理，显著提升了杯突值，最高值达9.6 mm，维氏硬度普遍降低，最低值达175.66 HV；对照组与实验组的杯突深度平均值为5.95 mm、9.21 mm；对照组与实验组维氏硬度平均值为271.8HV、192HV。由此可以进一步分析，退火处理工艺，能够显著提升杯突平均值，而降低维氏硬度。杯突值影响维氏硬度，当杯突值加深，维氏硬度就会相应降低，这样一来就会影响TA2钛板的塑性越好；最终可以得出，轧制后退火处理，能够加深杯突值，进而影响TA2成形性能。

2.3 显微组织观测

选取经过杯突实验处理后，杯突值与平均值最接近的试样进行显微组织观测，对照组的TA2钛板中，可以观测到α晶粒比较细碎；再使用扫描电镜观察，可以得出α晶粒被拉长的显微画面。而实验组当中，经过退火处理后，可以观测到α晶粒明显变大；在扫描电镜下观测，观测到的粗大的晶粒，都为等轴状。由此分析得出，杯突值的变化是由TA2钛板的显微组织中的α晶粒变化引起的，进而影响维氏硬度，最终得出，压制后退火对TA2钛板成形性能会产生影响。

2.4 轧制后退火TA2钛板组织变化

在对照组中，由于没有经过退火处理，导致显微组织中的再结晶晶粒消失了大部分，剩余部分多为未再结晶晶粒。在实验过程中，由于未经过退火处理，则影响显微组织中的α会沿着轧制反向被拉长、压扁，进而会形成较多的孪晶；区域内的孪晶增多，就会导致孪晶之间的相互作用变大；孪晶密集的区域里，晶粒的破碎现象也就越显著。通过对纯钛杯突件的显微观测发现，由于孪晶区域的扩散以及晶粒破碎数量增多，会导致TA2的杯突试样强度增加，而塑性大大降低。

实验组中的退火处理工艺，符合工业TA2纯钛的使用工艺；显微组织观测中的等轴状α晶粒组织，就是组织再结晶现象的具象化展示，新的晶粒使再结晶组织进一步扩散，且结晶区域内，多为再结晶组织。应用退火工艺，使显微组织内部的变形量增大，也在一定程度上提升了再结晶的驱动力，使显微组织内部的再结晶过程变得更加容易，推动了回复再结晶现象的产生，也是形成的等轴状α晶粒更为粗大、明显。在实验过程中，由于保温温度大700℃，温度较高，能够促进元素的极速扩散，再加上总界面能的降低，会促进晶粒的大角度迁移，并以大晶粒吞噬小晶粒的方式迅速长大[2]。在退火工艺的影响下，显微组织内部的形变量较大，进而影响α晶粒的成长速率也相近，最终形成了较为均匀的等轴状α晶粒。

实验组中，可以通过观测得出，再结晶退火，能够使TA2纯钛的显微组织内部晶粒分布较为均匀，进而影响TA2钛板的性能更加稳定，显著增强钛板的塑性与韧性。在多数研究当中，都期望使纯钛内部组织的α晶粒变得细小且均匀，通过这种内部结构，使钛金属材料的塑性性能变得更好，完全软化后晶格的类型不发生变化。带在力学角度来看，若使晶格类型不发生变化，则力学性能就会发生极大变化。通过实验课以观测到，在保温时间较长的情况下，晶粒的长速越明显。此外，由于退火工艺作用，能够在一定程度上消除变形后的残余应力，这样一来，实验组当中的TA2钛板试样的塑性得到显著提升，硬度降低。

3.实验结论

1）通过上述实验分析，由实验试样的凸模成形力与位移的测量分析，可以得出，退火工艺处理后的TA2钛板试样的凸模位移会显著增加。实验中，实验组由于退火工艺作用，杯突值的增加也十分显著，最高值能够达到9.6 mm；而未经退火处理的杯突值最大值仅能达到6.1 mm。由平均值对比可以得出，退火工艺能够使杯突平均值增加约一倍。

2）通过实验中对照组与实验组的维氏硬度对比，可以得出，由于轧制后退火，使TA2钛板的维氏硬度降低约三分之一。

3）通过显微组织观测与实验整体分析得出，退火处理促进组织内部α晶粒的在结晶现象，形成均匀、粗大的等轴状α晶粒组织，进而影响杯突值变大、维氏硬度降低，最终显著提升TA2钛板的塑性。

结束语：综上所述，本文通过实验对轧制后退火对TA2钛板成形性能的影响进行了探究。实验表明，轧制后退火，会通过影响钛板内部的α晶粒变化，形成大量回复再结晶组织；进而使杯突实验的杯突值增加，并影响维氏硬度降低；最终，影响TA2钛板塑性增强。TA2钛板的塑性提升，有助于TA2钛板材料应用范围的推广，提升其应用价值。

参考文献：

[1]朱春莉，陈思杰. 连接温度对TA2钛板瞬时液相扩散连接接头组织和性能的影响[J]. 机械工程材料，2015，04：19-22+28.

[2]徐飞，潘蕾，白云瑞，曹佳梦，陶杰，陶海军，蔡雷. 钛表面阳极氧化处理对TA2/聚醚醚酮（PEEK）粘结性能的影响[J]. 航空学报，2014，06：1724-1732.