二次退火对TA1冷轧板织构及各向异性的影响_宗学文.pdf

第 30 卷 第 3 期2023 年 3 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.3Mar.2023引文格式:宗学文,韦毅博,张 健,等.二次退火对 TA1 冷轧板织构及各向异性的影响 J.塑性工程学报,2023,30(3):143-150.ZONG Xuewen,WEI Yibo,ZHANG Jian,et al.Effects of secondary annealing on texture and anisotropy of TA1 cold-rolled plate J.Journal of Plasticity Engineering,2023,30(3):143-150.基金项目:国家自然科学基金资助项目(51875452);“科学家+工程师”队伍项目(2022KXJ-012)第一作者:宗学文(通信作者),男,1964 年生,博士,副教授,主要从事钛合金激光选区熔化、3D 打印快速铸造研究,E-mail:873051669 收稿日期:2022-04-27;修订日期:2023-01-23二次退火对 TA1 冷轧板织构及各向异性的影响宗学文1,2,韦毅博1,2,张 健1,2,武伟杰1,2,王 涛1,2,刘亮晶1,2(1.西安科技大学 机械工程学院,陕西 西安 710054;2.西安科技大学 增材制造技术研究所,陕西 西安 710054)摘 要:研究了二次退火 TA1 冷轧板的织构以及力学性能各向异性。采用电子背散射衍射对晶粒织构和取向进行了表征,通过对轧制面进行不同加载方向的单向拉伸试验检测了力学性能。结果表明,经过一次退火后,织构的取向强度降低,/ND 织构消失,/RD 向/RD 偏离 60附近产生较强的棱锥型织构,板面各向异性显著增强。二次退火后,晶粒进一步趋向于等轴化,织构类型和一次退火相比没有变化,增强了由再结晶产生的/RD 织构的强度,但进一步减小了整体织构强度,板面各向异性明显降低。一次退火后,由于对称性/ND 基面织构的消失以及非对称棱锥型织构的产生,导致板面的力学性能各向异性较强。经过二次退火处理后,在织构类型不变的情况下织构强度减弱,各向异性有所改善,提高了板材的成形性能。关键词:TA1 冷轧板;二次退火;织构;各向异性;成形性能中图分类号:TG146.23 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)03-0143-08doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.03.019Effects of secondary annealing on texture and anisotropy of TA1 cold-rolled plateZONG Xue-wen1,2,WEI Yi-bo1,2,ZHANG Jian1,2,WU Wei-jie1,2,WANG Tao1,2,LIU Liang-jing1,2(1.College of Mechanical Engineering,Xian University of Science and Technology,Xian 710054,China;2.Institute of Additive Manufacturing Technology,Xian University of Science and Technology,Xian 710054,China)Abstract:Texture and anisotropy of mechanical properties of TA1 cold-rolled plate after secondary annealing were studied.The textures and orientation of grains were characterized by electron back-scatter diffraction(EBSD).Mechanical properties were detected by unidirec-tional tensile tests in different loading directions on the rolling surface.The results show that after primary annealing,the orientation strength of the texture is reduced,the/ND texture is eliminated,pyramid texture components are primary presented in the/RD to/RD deviation from the 60 direction,the anisotropy of plate is significantly enhanced.After the secondary annealing,the grains further tend to be equiaxed,the type of texture has no change compared with primary annealing.Due to the/RD tex-ture produced by recrystallization is enhanced,but the overall texture strength is further reduced,and the anisotropy of the plate surface is significantly reduced.After primary annealing,due to the disappearance of symmetrical/ND basal texture and the generation of asymmetrical pyramid texture,the anisotropy of the plate surface is enhanced.After the secondary annealing treatment,the texture strength is weakened under the condition that the texture type is unchanged,so the anisotropy is improved,and the forming performance of the plate is improved.Key words:TA1 cold-rolled plate;secondary annealing;texture;anisotropy;formability 引言钛合金具有耐腐蚀能力强、耐热能力优秀、生物相容性好、具有较高的比强度和比密度等优点,在航空航天、船舶及人体医疗器件等领域均有广泛地应用1-4。-钛为密排六方(Hexagonal Close-Packed,HCP)结 构,c 轴 与 a 轴 比 值 c/a 为1.587,低于理想的 1.633,由于密排六方结构金属的晶格对称性较低,变形机制也非常复杂,在轧制加工和热处理过程中会产生明显的晶粒择优取向从而形成变形织构,TA1 在环境温度下具有高度各向异性5,而织构是造成多晶材料各向异性的主要原因6,因此,研究织构演变有助于提升 TA1 的成形性能7。张家铭等8研究发现采用换向轧制能够增加 TA1 薄带的基面织构组分,使强度指标和塑性指标优于全纵向轧制,改善了薄带的各向异性。徐国富等9指出,TA1 在退火初始阶段织构变化速率较高,但随着保温时间的延长而有所减缓。LIU J M等10利用循环相变对退火态 TA1 冷轧板进行处理,明显改变了板材的织构组分,降低了材料的各向异性。张贵华等11研究表明,TA1 热轧板经退火处理产生的再结晶织构类型不利于改善板面轧制和垂直轧制方向的各向异性。LIU N 等12对不同冷轧变形量的 TA1 板材在不同的温度下进行退火处理,研究了不同变形量和不同退火温度下的织构演变,发现当变形量为 40%、退火温度为 650 时将得到有利于改善各向异性的基面织构。当前国内外针对不同轧制工艺、不同退火温度对工业纯钛的织构演变规律已有大量研究,但对于TA1 冷轧板经二次退火后的织构演变、织构和力学性能各向异性的关系研究较少。本文通过电子背衍射散射(Electron Backscatter Diffraction,EBSD)及单向拉伸试验分别对一次退火和二次退火后 TA1 板材的微观组织、织构、力学性能以及各向异性进行分析,揭示了二次退火对织构和成形性能的影响,为 TA1 冷轧板的二次退火提供借鉴。1 试验材料及方法试验材料为 TA1 冷轧板,由洛阳双瑞精铸钛业有限公司提供。采取线切割的方式分别沿轧制方向 RD、板面与轧制方向成 45方向、板面垂直轧制方向 TD 切取拉伸试样,试样尺寸如图1 所示,厚度为10 mm。图 1 拉伸试样尺寸Fig.1 Size of tensile sample将冷轧态、一次退火态和二次退火态试样分别用 A、B 和 C 表示。部分 A 类试样在真空管式炉中以 5 min-1的速率升温至 800,保温 60 min,随炉冷却至 100 后空冷,获得 B 类试样,随后将部分 B 类试样以 5 min-1的升温速率升至600,保温 60 min 随炉冷却到 100 再空冷,得到 C 类试样,3 类试样预处理方式如表1,热处理过程在惰性保护气体氛围内进行。表 1 试样制备工艺Tab.1 Preparation process of samples试样方向一次退火二次退火ARD45TD无无BRD45TD有无CRD45TD有有对试样进行电解抛光后通过 EBSD 采集包含 RD以及 TD 方向的微观结构,得到 3 类试样微观织构信息,利用岛津型 AGS-X 万能拉伸试验机完成拉伸试验,拉伸参数设置为:引伸计标距为 25 mm,拉伸速率为 1 mmmin-1。2 结果和讨论2.1 TA1 冷轧板微观组织与织构图 2 所示为冷轧态 TA1 试样的微观组织,平均晶粒尺寸为 11.7 m。在板材冷轧过程中各晶粒会发生不同的取向变化,图 2a 为取向分布图,其表示了晶粒的取向,其中不同颜色表明晶粒取向不同,颜色相近的晶粒有相近的取向,大多数晶粒取向处于过渡颜色,说明441塑性工程学报第 30 卷图 2 冷轧态 TA1 微观组织(a)晶粒取向分布图(b)晶粒尺寸分布图Fig.2 Microstructure of cold-rolled TA1(a)Orientation distribution map of grain(b)Distribution diagram of grain size大部分晶粒 c 轴与轧制法向面 ND 不平行。图 3 为冷轧态 TA1 的织构分布,由图 3a 中0001 极图可知,冷轧态的织构为典型的基面双峰分裂织构,与图 2a 相对应,大部分晶粒 c 轴从ND 到 TD 倾斜(20 40)左右,取向强度峰值为 28.25,此为冷轧态 TA1 的稳定取向13,TA1 经单向轧制或反向轧制将会出现该种织构,这是在基面滑移和柱面滑移共同作用下的结果。同时由图 3b中的 1010 极图可知,TA1 冷轧板存在较强的冷轧变形织构/RD。从图 3b 中各个方向的反极图(Inverse Pole Fig-ure,IPF)来看,/RD 变形织构强度达到7.54,TD 方向在向偏离 45左右存在较弱取向织构。由 ND 方向反极图可知,c 轴向方向偏离 35左右有较强的棱锥型织构,峰值为 7.2 左右,同时也存在较为强烈的/ND基面织构。此时主要织构类型还是以冷轧变形织构/RD 为主。2.2 一次退火和二次退火下微观组织与织构演变图 4 为表 2 中 B 类和 C 类试样的晶粒取向分布图以及带