TA24(Ti75) 钛合金是我国自行设计研造的新型结构资料，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机能的作用 [1-2]。该合金拥有中强?高韧?耐蚀?可焊等特点，在石油?化工?机械?船舶等领域拥有宽泛的利用，其中在船舶领域管材利用的较多 [3-5]。

目前，国内钛合金无缝管材的出产步骤重要是挤压法和斜轧穿孔法，幼口径无缝管材大多选取挤压法造备，大口径无缝管材大多选取斜轧穿孔法造备？蒲泄ぷ髡叨訲A24钛合金管材的工艺?组织和机能发展了钻研。陶欢等 [6] 选取热挤压法造备了TA24钛合金管材，钻研了挤压温度和挤压速度对管材组织和机能的影响。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机能的影响。随着TA24钛合金管材在管路系统中利用的深刻钻研，其利用口径将增长到 DN200 以上。限于设备能力，国内目前无法选取热挤压法出产口径大于 200 mm 迪胙合金无缝管材 [8]，只能选取斜轧穿孔法造备。斜轧穿孔工艺是利用曼内斯曼效应使棒坯心部产陌生松区，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步骤 [9-10]。凭据轧辊数，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，能耗幼，轧造效能高；三辊对称布局可使金属受到更均匀的径向压力，削减偏疼变形，提高资料制品率；此表，三辊斜轧机结构紧凑，出产过程便于实现自动化，适合大批量出产 [11]。为此，本钻研选取三辊斜轧机发展试验，着沉钻研斜轧穿孔变形量对TA24钛合金组织演变及机能的影响，以获得梦想的管材组织及较高的强韧匹配性，为斜轧穿孔法造备TA24钛合金大口径无缝管材提供参考。

1、尝试

1.1 尝试资料

尝试原资料为经 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 火次铸造，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

选取电阻炉对TA24钛合金棒坯进行 930℃退火处置。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，室温拉伸机能和冲击吸收能量如表 2 所示。从图 1a 能够看出，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，大无数晶粒尺寸集中在 5~15 μm，占比达 80%，统计均匀晶粒尺寸为 7.15 μm。从图 1c 可知，退火态棒坯极密度最大值为 3.902，注明 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机能和冲击吸收能量 

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

1.2 管材加工及机能测试

选取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，穿孔后管坯尺寸别离为 φ80 mm×13 mm?φ80 mm×10 mm 和 φ80 mm×8 mm，即斜轧穿孔变形量别离设计为 42%?54% 和 62%。

从分歧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 阴影部门所示。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。选取 400#?800#?1200# 砂纸顺次打磨试样，而后用体积比为 1∶1 的 SiO?悬浮液和 H?O?溶液抛光，最后用 Kroll 试剂侵蚀 10~30 s。选取 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?部门取向差柱状图以及 RD-AD 面的 (0001)?(1010)?(1120) 不齐全极图。

依照 GB/T 228.1-2021 要求，选取 MTS E45 全能资料试验机对分歧变形量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。凭据 GB/T 229-2020 要求，选取 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、了局与分析

2.1 组织演变

图 3 为分歧变形量斜轧管材的金相照片。从图 3 能够看出，经斜轧穿孔后，TA24钛合金斜轧管材组织为片层组织 + 一些块状 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，无显著晶界 α 相 (图 3c)。这是由于随着变形量的增大，管材壁厚越来越幼，降温速度越来越快，故片层组织越来越薄 [12]。

图 4 为分歧变形量斜轧管材的晶粒尺寸统计了局。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，大无数晶粒尺寸集中在 5~37 μm，占比达 60%，统计均匀晶粒尺寸为 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，大无数晶粒尺寸集中在 5~28 μm，占比达 64%，统计均匀晶粒尺寸为 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，大无数晶粒尺寸集中在 5~25 μm，占比达 64%，统计均匀晶粒尺寸为 9.15 μm。随着变形量增大，TA24钛合金管材均匀晶粒尺寸减幼，这是由于斜轧穿孔过程中变形量越大，晶粒破碎水平越严沉，一样温度下再结晶晶粒越幼。张旺峰等 [13] 通过钻研 TA15 钛合金变形量与 β 晶粒尺寸的关系，发现随着变形量增长，β 晶粒尺寸呈线性降落，且有关系数 R 在 0.997 以上。

图 5 为分歧变形量斜轧管材的 KAM 图及其部门取向差柱状图。从图 5 可知，变形量为 42%?54% 和 62% 时，TA24钛合金斜轧管材的均匀 KAM 值别离为 0.814°?0.999° 和 1.114°，亚结构比例别离为 22%?37% 和 44%。由此可见，随着变形量的增大，KAM 值逐步增大，亚结构比例也逐步增大，TA24钛合金斜轧管材的非均匀变形水平和位错密度增大。当 KAM 值幼于 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 为分歧变形量斜轧管材 AD-RD 面 (0001)?(1010) 和 (1120) 的不齐全极图。从图 6 能够看出，斜轧管材的宏观织构以基面织构为主，基面 (0001) 极图存在显著的密度极值点，(1010) 和 (1120) 极图极密度散布散漫且极密度值较低，这与 TA18 [15]?TA31 [16] 管材主织构类型一样。从图 6a 可知，变形量为 42% 时，斜轧管材 (0001) 极图极密度沿 AD 方向散布，注明 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 方向散布，注明 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 方向散布，注明 62% 变形量斜轧管材有较强的周向织构。以上分析批注，随着变形量增长，斜轧管材织构的演变法规为：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∥周向织构逐步占据主导，即斜轧管材切向的压力随着变形量的增大逐步占据优势 [16]。

2.2 拉伸机能

图 7 为分歧变形量斜轧管材的室温拉伸机能。从图 7 能够看出，选取斜轧穿孔工艺造备的TA24钛合金管材拉伸机能良好，随着变形量的增长强度提高，42%?54% 和 62% 变形量斜轧管材的屈服强度均匀值别离为 652?676?671 MPa，抗拉强度均匀值别离为 766?794?799 MPa。从组织分析可知，随着变形量的增大，斜轧管材均匀晶粒尺寸减幼。凭据霍尔 - 佩奇公式，组织越藐幼，资料强度越高 [17]，分歧变形量斜轧管材强度大幼与霍尔 - 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水平和位错密度增大，使合金产生应变强化。42%?54% 和 62% 变形量斜轧管材均匀延长率别离为 18%?18% 和 17.5%，其中 62% 变形量斜轧管材延长率较低，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，当集束较幼时，位错塞积水平迅速增长，相迸宗粗壮的组织，更容易形成孔洞和裂纹源。

2.3 冲击机能

图 8 为分歧变形量斜轧管材的冲击吸收能量。从图 8 能够看出，TA24钛合金管材冲击韧性良好，42% 变形量斜轧管材冲击吸收能量最大，为 74.5 J；随着变形量的增长，冲击吸收能量降低，54%?62% 变形量斜轧管材冲击吸收能量别离为 57?51.5 J。冲击吸收能量由裂纹形成功和裂纹扩大功组成，当 α 片层较细时，α/β 界面数量增长，故障位错活动的阻碍增多，且片层之间协调变形能力降落，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。因裂纹扩大总是选择能量较低的蹊径，当 α 片层较细时，裂纹穿过 α 片层所亏损的能量幼于裂纹偏转或分叉所必要的能量，故裂纹会穿过 α 片层扩大，降低裂纹扩大能量，从而使裂纹扩大功减幼，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，晶粒尺寸越幼，亚结构比例越大。

(2)随着变形量增长，斜轧管材织构演变法规为：轴向织构?周向织构 + 径向织构?周向织构。

(3)随着变形量增长，TA24钛合金斜轧管材强度升高，冲击吸收能量降低。

参考文件 References

[1] 李长亮，赵永庆，丁桦，等. Ti75 合金超塑拉伸时的变形行为和组织演变 [J]. 金属学报，2002, 38 (Z1): 154-157.

[2] 陶欢，李冲，宋德军，等. Ti75 合金管数控加热弯曲壁厚减薄和截面畸变法规钻研 [J]. 塑性工程学报，2020, 27 (6): 46-51.

[3] 尹艳超，刘甲，张帅锋，等。时效工艺对 Ti75 合金显微组织及力学机能的影响 [J]. 钛工业进展，2023, 40 (1): 21-26.

[4] 张欢，周娜，郑鹏飞，等。热处置工艺对TA24钛合金棒材显微组织及机能的影响 [J]. 铸造与冲压，2023 (21): 49-51.

[5] 富招弟，李佐臣，黄张洪，等。两种典型船用钛合金的利用 [J]. 热加工工艺，2012, 41 (14): 105-107.

[6] 陶欢，宋德军，许飞凡，等. Ti75 合金挤压加工对组织与机能的影响 [J]. 资料开发与利用，2020, 35 (5): 7-11.

[7] 赵彬，赵永庆，杨英丽，等。热加工工艺对 Ti75 合金管坯组织及机能的影响 [J]. 罕见金属资料与工程，2008, 37 (S3): 202-204.

[8] 苏航标，杨英丽，吴金平，等。斜轧穿孔造备 Ti80 大口径无缝管材 [J]. 中国有色金属学报，2013, 23 (S1): 358-363.

[9] 庞玉华，蒋宗璠，吴威，等. TC4 钛合金斜轧穿孔曼内斯曼效应及顶头地位优化 [J]. 塑性工程学报，2019, 26 (1): 95-102.

[10] 陈晨，双远华，陈建勋，等。分歧初轧温度下钛合金三辊斜轧穿孔工艺钻研 [J]. 热加工工艺，2024, 53 (18): 84-89.

[11] 左锦荣，梅碧舟，张松，等。三辊穿轧技术及其在金属加工中的利用 [J]. 模具造作，2024, 24 (10): 30-32.

[12] Lütjering G, Williams J C. Titanium [M]. Berlin: Springer, 2007.

[13] 张旺峰，李兴无，马济民，等。热变形参数对 TA15 再结晶晶粒尺寸的影响 [J]. 金属学报，2002, 38 (Z1): 158-160.

[14] 杨怡婷，赵秦阳，贾致远，等。冷轧对 CT20 钛合金微观组织和力学机能的影响 [J]. 中国有色金属学报，2023, 33 (8): 2593-2607.

[15] 杨奇，惠松骁，叶文君，等。冷轧 TA18 钛合金管材退火织构的形成机造 [J]. 罕见金属资料与工程，2023, 52 (3): 899-910.

[16] 张浩泽，余堃，钟海，等。铸坯斜轧穿孔造备大口径 TA31 钛合金无缝管材 [J]. 刀兵资料科学与工程，2022, 45 (3): 35-41.

[17] 胡庚祥，蔡珣，戎咏华。资料科学与工程 [M]. 上海：上海交通大学出版社，2001.

[18] 朱红，温鑫，万明攀，等. TC21 钛合金的全片层组织和冲击机能钻研 [J]. 钛工业进展，2020, 37 (3): 1-5.

（注，原文标题：斜轧变形量对TA24钛合金管材显微组织及力学机能的影响）