钛脊合金拥有强度高、密度幼、耐高温、耐侵蚀蹬着异机能[1-2]，被用于造作与海水或侵蚀性介 质接触的部件、喷气发起机零件和飞机起落架等， 也可利用于汽车或其他运输设备，以实现轻量化， 从而降低能源亏损与 CO2 排放[3-4]。然而，传统迪胙材造备存在出产周期长、工艺流程复杂、能量亏损高 的弊端[5]，其具体过程为：海绵钛首先需经过 2~3 次 铸锭熔炼，再经热铸造、热变形和冷变形等过程加工 成板材、棒材、型材等钛制品。

熔炼是钛材加工过程中能耗最高的环节。工业纯 钛的熔炼通常选取真空熔炼法，蕴含真空自耗电弧炉 熔炼法（VAR）、电子束冷床炉熔炼法（EBCHM）、 等离子体冷床炉熔炼法（PCHM）等。选取 EBCHM或 PCHM 能够将沉熔次数减为 1 次，但依然能耗较大， 熔炼后需在结晶器中凝固成所需尺寸与状态的圆锭或 扁锭，冷却后再机加工为所需尺寸迪胙锭[6]。以上方 法出产周期长，成本高，CO₂ 排放量大。粉末冶金是 钛材造备的另一种常见步骤[7]。其中，等静压烧结法 是以钛粉或氢化钛粉为原料，将其与合金元素粉末机 械混合均匀，而后对粉末混合体进行压坯，最终在真 空或；た掌疤嵯，通过热机械固结方式实现钛的 合金化和致密化。相较于传统熔炼法，该过程不经过 熔炼即可造备钛制品，降低了能耗，从而降低了成本， 但依然存在其他不及，如造粉过程难题、成本依然偏 高、必要；た掌约俺霾芷诔さ萚8]＜本缟战-挤 压法令以海绵钛颗粒为原料，将海绵钛压造成坯，在 ；た掌，预先急剧升温获得烧结坯，之后置于挤 压模具中进行挤压[9]。此步骤为经传统烧结法后再加 热挤压，仍属于传统流程，整体能耗大，对烧结设备 要求高，无法用于大尺寸钛材加工。金属粉末轧造法 通过轧机将金属粉末轧造成拥有肯定强度和密度的连 续带坯，再经过烧结、冷轧等后续处置，最终得到致 密的金属带材[10]。该步骤工艺流程短，能耗相对较低， 但由于粉末流动性强，在喂入轧辊时难以形成不变、 均匀的料堆，对设备要求高，出产效能也较低。

有钻研批注[11]，用不锈钢包覆铁屑轧造，可将铁 屑加工成半制品或制品，且不锈钢与铁屑间达到冶金 结合。据此提出以下钻研思路：在海绵钛预压坯上包 覆一层纯钛后直接轧造，一方面能够有效约束被包覆 海绵钛预压坯的变形行为，使得包覆层与被包覆的海 绵钛预压坯在轧造过程中协同变形；另一方面，由于 使用同种资料进行包覆，包覆层在成形后会成为资料 的一部门。为此，本钻研索求了以海绵钛为原料，将 其用纯钛包覆后直接轧造造备板材的可行性，该工艺 省去熔炼和铸造环节，有望实现钛板材的低成本造备。 

1、实 验

尝试资料为工业 0A 级海绵钛，其化学成分（质量 分数，%）为：Ti≥99.8，Fe≤0.03，Si≤0.01，Cl≤0.06，C≤0.01，N≤0.01，O≤0.05，Mn≤0.01，Mg≤0.01，H≤0.003，Ni≤0.01，Cr≤0.01，其他杂质总和≤0.02。 首吓酌压机将海绵钛压造成如图 1 所示的压块，再将 海绵钛块切割后装入图 2 所示的纯钛盒子，经抽真空 处置（极限真空度＜10-2 Pa）后，选取氩气；ず附 技术进行封装。选取多职能热轧机进行板材轧造，轧 造过程分为 3 个轧程，第一轧程加热温度为 900 ℃， 保温功夫为 100 min，终轧温度为 740~760 ℃，经 4路次轧造后板材厚杜咨 75 mm 减薄至 25 mm（记为Step 1）；第二轧程加热温度为 860 ℃，保温功夫为25 min，终轧温度为 740~760 ℃，经 2 路次轧造后板 材厚杜咨 25 mm 减薄至 10 mm（记为 Step 2）；第三 轧程加热温度为 880 ℃，保温功夫为 50 min，终轧温 度为 740~760 ℃，经 4 路次轧造后厚杜咨 25 mm 减薄 至 4 mm（记为 Step 3）。

在分歧厚度的热轧板上沿横向（TD）切取 2 个拉 伸试样，并别离在边部、中心部位切取金相试样，取 样地位如图 3 所示。金相试样用水砂纸从 200 目到2000 目逐级打磨，经机械抛光后，用硝酸+氢氟酸+水组成的混酸（体积比为 2∶1∶50）侵蚀。选取激光 共聚焦显微镜进行显微组织观察及包套厚度丈量，用ImageJ 软件丈量孔洞面积以表征分歧压下量轧板分歧 地位的孔霞积。凭据 GB/T 3850—2015《致密烧结 金属资料与硬质合金密度测定步骤》测试分歧压下量 轧板的致密度。对分歧压下量轧板进行维氏硬度测试， 每个样品测 10 个点，取均匀值作为最终硬度值。选取CMT5105 型微机节造电子全能试验机进行室温拉伸 试验，拉伸速度为 1.05 mm/min。选取 ZEISS 热场发 射扫描电镜观察拉伸断口描摹。

2、了局与会商 

2.1 宏观照片 

包套海绵钛样品选取全纵轧，轧造过程中未选取 立轧对宽度方向进行压缩。图 4 为经第一路次轧造后25 mm 厚轧板的照片。从图 4 能够看出，由于包套弯 折区域存在显著的应力集中及焊接残存应力，轧后包 套的部门出现边裂，导致板材边部未密实区域产生吸 氧景象。

2.2 压下量对硬度的影响 

丈量分歧厚度轧板的维氏硬度，了局如图 5 所示。 从图 5 能够看出，随着板材厚度减幼，硬度增长，且 轧板边部地位增长幅度最大，4 mm 厚轧板与 25 mm厚轧板相迸撞度差值为 29.36 HV，1/2 地位（板宽中 部）硬度增长幅度最幼，差值仅为 5.61 HV。 

2.3 压下量对致密度的影响

图 6 为分歧厚度轧板的致密度测试了局。由图 6可知，随着压下量的增长，轧板厚度减幼，致密度逐 渐增长，且统一轧板分歧地位的致密度从边部到中部逐 渐增大。当轧板厚度为 4 mm 时，致密度可达 99 %，且 分歧地位的致密度相差不大，仅为 0.3%，注明 4 mm厚轧板的致密度比力均匀。

2.4 压下量对孔霞积的影响

分歧厚度轧板的孔霞积散布如图 7 所示。从图7 可知，25 mm 厚轧板边部孔霞积较大，约为 72 μm2， 而 1/4、1/2 地位孔霞积大幅减幼，在 10 μm2以内， 注明此阶段边部孔隙因变形约束弱未充分压缩，内部 孔隙受应力作用压缩显著；10 mm 厚轧板边部孔霞 积降至约 10 μm2，1/4、1/2 地位处进一步减幼且更接 近，批注随着轧造的进行，压缩作用加强，边部孔隙 也得到肯定水平的压缩；4 mm 厚轧板分歧地位的孔 霞积均在 5 μm2以内且差距极幼，批注大变形量轧 造后，孔隙被充分压缩，板材各部位变形均匀性大幅 提升，致密化水平高。

2.4 压下量对包套厚度的影响

丈量分歧厚度轧板的包套厚度，了局如图 8 所示。 轧造之前包套的厚度为 3 mm，经轧造后，25 mm 厚 轧板的包套厚度约为 1.6 mm，此时轧板压下量为66.7%，而包套变形量仅为 46.7%。这是由于海绵钛压 块存在大量孔隙，在轧造过程中，压块变形量大于包套， 导致包套变形量与轧板变形量不一致。当轧板厚度为4 mm 时，部门区域已经观察不到包套与海绵钛压块之 间显著的界面，注明包套与压块已起头融合。

2.5 压下量对拉伸机能的影响 

图 9 为分歧厚度轧板的力学机能。从图 9 能够看 出，随着板材压下量的增长，屈服强度和抗拉强度均升 高，断后伸长率先升高后降落。4 mm 厚轧板的屈服强度和抗拉强度最大，别离为 304、338 MPa，10 mm 厚 轧板的断后伸长率最高，为 32%。

凭据 GB/T 3621—2022《钛脊合金板材》，TA0板材横向的室温屈服强度 Rp0.2≥170 MPa，抗拉强度 Rm为 280~420 MPa，厚度为 2.0~10.0 mm 时断后伸长率A≥30%，厚度为 10.0~30.0 mm 时断后伸长率 A≥25%。 由此可见，分歧厚度轧造钛板的强度均切合国度尺度要 求，而除 4 mm 厚轧板以表，其他轧板的断后伸长率均 达标。

4 mm 厚轧板的断后伸长率未达到国标要求，这可 能与轧板残留的加工硬化所导致的残存应力有关。为 改善其塑性，进行补充尝试：从 4 mm 厚轧板上切取 拉伸试样，经 590 ℃/30 min/AC 退火处置后，再进行 拉伸机能测试。了局显示，试样屈服强度为 258 MPa， 抗拉强度为 309 MPa，断后伸长率达到 30%，均切合GB/T 3621—2022 中对 TA0 板材机能的要求，批注退 火处置可有效提升 4 mm 厚轧板的塑性，使其达到国 标要求。

拉伸断裂后的试样如图 10 所示。从图 10 能够看 出，拉伸试样大多出现非均匀颈缩，即样品直径/板宽 不均匀减幼。这是由于海绵钛成分不均匀（O、N 含 量有差距）会导致资料加工硬化率分歧，在拉伸过程 中内部应变散布不均匀，加工硬化率高的区域会接受 更高的应力，产生幼应变，而加工硬化率低的区域容 易应变，从而引发颈缩。颈缩区域的应力集中可能诱 发金属微结构的变动（如位错滑移以及晶格畸变产生 孪生带等），产生部门强化的成效，当颈缩区域产生的 部门强化大于因截面积减幼所引起的承载能力降落时，颈缩区域的截面积不再减幼，拉伸试样的进一步变 形只能由未产生颈缩的区域均匀承担，直至产生下一次 颈缩，最后拉伸试样在最幽微的颈缩区域产生断裂[12]。 

2.6 压下量对微观组织的影响

分歧厚度轧板的金相照片如图 11 所示。由图11a~11c 可知，25 mm 厚轧板边部存在着显著的裂纹 和浮泛，板宽中部裂纹及浮泛区域面积显著减幼，密 实度相对边部增长，注明整个过程中存在未压实区域， 裂纹及浮泛等缺点未完病愈合；由图 11d~11f 可知， 相较于 25 mm 厚轧板，10 mm 厚轧板边部未愈合区域 面积降落，板宽中部仍有幼领域的裂纹区，晶粒尺寸 变；由图 11g~11i 可知，4 mm 厚轧板根基没有裂纹 和浮泛，晶粒沿着轧向被显著拉长。随着累计压下量 的增长，晶粒尺寸减幼，且轧板内部缺点逐步削减。

2.7 压下量对断口描摹的影响 

图 12 为分歧厚度轧板拉伸试样的断口描摹。由图12a、12d 可知，25 mm 厚轧板拉伸试样断口呈蜂窝状， 为典型的微孔荟萃型韧性断裂，部门有垂直于断口的 微幼扯破区。断口上大量大而浅的韧窝是在表力作用 下，位错活动产生弹性形变能，当弹性形变能足以克 服纯钛内杂质元素与基体间的界面结合力而形成新表 面时，便形成了显微浮泛。当显微浮泛形成后，位错受 到的倾轧力大大降低，在表力作用下大量位错向新形成 的显微浮泛活动，使显微浮泛长大，同时导致浮泛壁收 缩变薄，直至浮泛间彼此相连而断裂，形成韧窝[13]。 而对于缺点处，由于吸收了部门位错，导致显微浮泛成 长相对不及，所以缺点处的韧窝相对幼而浅。由图 12b、12e 可知，10 mm 厚轧板拉伸试样断口同样存在大量韧 窝，韧窝的深度和大幼较 25 mm 厚轧板有显著提高，且 无部门微幼扯破区。因而，10 mm 厚轧板阐发出更优 的延展性。由图 12c、12f 可知，4 mm 厚轧板拉伸试样 断口存在深浅不一、散布不均的韧窝，且有少量河道 状扯破棱及解理台阶，断裂方式为准解理断裂与韧性 断裂的混合断裂[5]。由于 4 mm 厚轧板断口存在少量的 长条状扯破棱即准解理断裂特点，其塑性较差（断后伸 长率仅为 20.5%），可能与轧板残留的加工硬化有关。 

综上所述，通过将海绵钛直接热轧能够实现钛板 的短流程造备。但若何提高海绵钛直接轧造板材的成 材率以及实现工业化批量出产，还存在很多问题亟需 进一步索求钻研。

3、结 论 

(1) 用海绵钛直接轧造板材时，随着压下量的增长，轧造板材的硬度、屈服强度、抗拉强度上升，边部硬度增幅最大，断后伸长率先升后降。 

(2) 随着压下量的增长，轧板致密度增大，4 mm 厚轧板致密度达到 99%且相对均匀；孔霞积减幼，4 mm厚轧板分歧地位孔洞面积根基一样；包套厚度减幼，4 mm 厚轧板部门区域包套与压块界面起头融合；晶粒尺寸变幼，内部缺点逐步削减。 

(3) 海绵钛直接轧造板材工艺可行，能短流程造备钛板。其中，25 mm 和 10 mm 厚轧板强度和断后伸长率均切合 GB/T 3621—2022 要求，4 mm 厚轧板断后伸长率略低。经退火处置后，4 mm 厚轧板机能亦可达标。 

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（注，原文标题：海绵钛直接轧造板材的组织机能分析）