Gr.5钛合金轧制过程中的塑性变化研究

陈 肖

（西部钛业有限责任公司，陕西 西安 710201）

Gr.5钛合金是最早生产的钛合金类型之一，属于α+β型钛合金，具有良好的综合性能，被广泛的应用于化工、电力、航空、航天、医疗等领域。钛合金性能的制约因素较多，但钛合金材料的塑性变化规律是评价一种钛合金整体性能的一个重要指标[1，2]。基于此，本文以Gr.5钛合金为研究对象，分析该钛合金在轧制过程中塑性变化规律，为进一步研究该类钛合金显微组织以及力学性能、轧制工艺等提供参考。

1 试验材料及过程

本次选用Gr.5钛合金铸锭，将其制成1.6mm厚的Gr.5钛合金板材，进行退火状态的拉伸性能试验。根据试验得出，Gr.5钛合金的抗拉强度可达1110MPa，屈服强度为1050MPa，断后伸长率为9.40%。为了分析Gr.5钛合金在轧制过程中塑性变化规律，本文从Gr.5钛合金板材的化学成分、显微组织以及硬度等方面进行综合分析。

2 不同参数变化特征

2.1 钛合金化学成分分析

对进行试验的Gr.5钛合金样材进行划分成分检测，结果显示，Gr.5钛合金中Al元素含量为6.33%，在标准值5.5%～6.75%范围内；V元素含量为4.24%，介于标准值3.5%～4.5%范围内；Fe元素含量为0.053%，小于标准值（≤0.40）；C含量为0.008，小于标准值（≤0.05）；N元素含量小于0.008（标准值≤0.05），H元素含量为0.017（标准值≤0.015），O元素含量为0.14（标准值≤0.20）。由化学分析结果显示，除H元素超出标准值13.33%外其余元素均在标准值范围内。

2.2 钛合金显微硬度特征

对Gr.5钛合金样材进行显微硬度测试分析，对其进行载荷加载试验，压力为1.96N，加载时间为30s。在显微硬度测试过程中沿着样材厚度方向进行试验，距离每0.11mm测读一次数据，最终求得不同度数的平均值作为样材最终的硬度值，为326HV。

2.3 金相分析

将打磨、抛光处理后的Gr.5钛合金样材在光学显微镜下观察Gr.5钛合金棒材的显微组织变化特征。根据显微组织照片可知，Gr.5钛合金属于α+β型钛合金，显微组织中未发现完整的β晶界上连续的网状α，未能发现明显粗大拉长的片状α。根据显微组织显示，Gr.5钛合金样材的组织类型为等轴状α相，总体上显微组织未发现明显的异常现象。

3 轧制过程中塑性变化特征

3.1 固溶温度对塑性变化的影响

将Gr.5钛合金样材分别置于840℃、810℃、780℃和750℃固溶温度下，保温0.5h后空冷处理，借助钛合金断口形貌组织变化规律分析钛合金样材的塑性变化规律。随着固溶温度升高，断口处纤维区面积相对减少，当固溶温度升高至840℃时，纤维区逐渐消失，使得棒材的断口更加平整，且断口主要由光滑面和小韧窝构成[3]。

当固溶温度为810℃时，样材的断口剪切唇以小韧窝为主，且韧窝的尺寸较大，数量却明显减少；固溶温度为840℃时，断口光滑面上不存在韧窝，但可见约40μm的β相晶粒出现。因此，说明Gr.5钛合金板材是塑性材料。对Gr.5钛合金棒材试验样材分别在840℃、810℃、780℃和750℃固溶温度下保温0.5h后空冷处理，试验结果表明，随着固溶温度的逐渐升高，Gr.5钛合金棒材的抗拉强度和屈服强度逐渐降低，当固溶温度在810℃及以上时，Gr.5钛合金棒材的抗拉强度与屈服强度明显降低，且出现较低的屈服应力。此外，在较低固溶温度条件下，随着固溶温度的升高，Gr.5钛合金棒材的生长率逐渐升高，塑性变化总体不大。当固溶温度最高时，Gr.5钛合金棒材的延伸率增大极为明显，断面收缩率也明显增加。结合前人对断口分析认知，本次试验所得的拉伸断口形貌特征与塑性变化规律的是矛盾的，结合本次获得的合金的相变点温度为820℃。此外，若固溶温度在相变点温度之下时，随着固溶温度的升高，钛合金中的可溶质元素的回溶现象越强烈，也就意味着显微组织中出现β相的概率也就越大；若在相变点以上升温时，可以导致回溶元素全部回溶，意味着Gr.5钛合金棒材显微组织全部转变为β相。由于β相为立方体晶型，α相为六方形晶体结构，前者存在较多滑移面，容易出现塑性滑动。综上所述，随着钛合金材料中的β相的逐渐升高，钛合金材料的塑性能力也逐渐升高。

3.2 综合分析

根据上文Gr.5钛合金样材的化学成分分析结果显示，Gr.5钛合金中H元素含量超标，而适量超标H元素可以适当的改善钛合金的热加工性能，若H元素含量超标过多时则容易造成钛合金出现低应变脆性敏感性，进而导致钛合金材料的塑性性能较低。由于Gr.5钛合金样材中H元素明显超标，且在拉伸试验过程中伸长率低于标准值。因此，Gr.5钛合金样材中过多的H元素来源主要包括两方面：一是酸洗处理过程中导致合金中H元素过量，二是化学铣削过程中导致合金中H元素过量。此外，在钛合金样材显微组织中未发现明显的异常组织结构，但显微硬度明显偏高，最终导致钛合金延伸率和断面收缩率降低，造成钛合金显微硬度增高，进而使得Gr.5钛合金的塑性降低。

4 结语

综上所述，Gr.5钛合金属于α+β型钛合金，因其具有良好的综合性能，被广泛的应用于化工、电力、航空、航天、医疗等领域。

本文在总结钛合金化学组成成分、显微硬度和显微组织的基础上，通过固溶温度试验分析了不同固溶温度对钛合金塑性变化的影响，进而综合分析了H元素含量超标对钛合金材料塑性的影响，本文的研究成果有助于改进钛合金轧制工艺，提高钛合金材料的塑性。