钛脊合金板、带、箔材在钛加工材的出产和利用上均占有沉要职位。凭据中国有色金属工业协会的统计数据，2021年度中国钛加工材的总产量为 135941 t，其中钛脊合金板、带、箔材的产量为 70130 t，占钛加工材总产量的 51.6%。钛板材是指通过平面轧造 获得厚度≥0.3 mm 的片状产品，钛带材是指通过平面轧造获得厚度为 0.1~ 4.76 mm 的卷状产品，钛箔材是指通过冷轧和退火屡次循环得到厚度 < 0.25 mm 的片状产品，以上3种产品能够统称为钛平面轧造产品。钛板、带、箔材重要利用于化工、航空航天航海和医疗3大板块。其中，纯钛带材重要用于化工行业，纯钛板材用于航空航天航海和医疗领域，合金板材、箔材重要用于航空航天航海领域。 

凭据化学成分、产品规格和使用需要的分歧，钛脊合金板材的造备技术有较大区别。在轧造成形工艺上，钛板材凭据厚度分歧能够分为厚板（厚度 >4.76 mm）和薄板（厚度 ≤4.76 mm），通常厚板通过热轧到制品尺寸，薄板则能够选择性地通过单片热轧随后冷轧到制品尺寸，或 者包套叠轧到制品尺寸。厚板的轧造过程能够通过节造轧造温度、轧造方向和变形量调控组织与机能。合金薄板的造备过程选取两片叠轧和包套轧造 工艺能够提高变形量和轧造效能。此表，选取包套轧造工艺能够造备变形抗力较大和裂纹敏感性较高的合金薄板。在轧造设备上，国内表主流的板材热轧设备为两辊、三辊、四辊、八辊热轧机，热轧机宽度在 1200 ~ 4060 mm；主流的板材冷轧设备为四辊、八辊可逆式冷轧机，冷轧机宽度在 1200 ~ 1780 mm。国内表主流的带材热轧设备为多机架热连轧机组，冷轧设备为二十辊 Sendzimir 冷轧机。达到制品尺寸的板材经热处置、板型处置和表表处置后则实现产品造备。 

随着全球工业用钛需要量的增长，以脊材在航空、航天、海洋、船舶领域的推广，钛板材类产品的产量与机能需要不休提升，推进了板材类新产品的开发和钛板、带、 箔材造备技术发展。首先，以高温钛合金为例，自 20 世纪 50 年代发展至今，钛合金板材产品的服役温度逐步由 300 ℃提升到 650 ℃，使用部位也逐步由飞机蒙皮表表升级到关键主题承力部件，如图 1 所示。1950 — 1960 年设计了 OT4 – 1（TC1）、OT4 （TC2）、Ti–6Al–4V（TC4）、BT6 等 在 200 ~ 400 ℃使用迪胙合金，其薄板类产品大量利用于飞机薄壁钣金零件，Ti–6Al–4V 合金厚板和薄板也被利用于航空发起机宽弦空心电扇叶片造作。1960 —1970 年设计了 BT20（TA15）、Ti6242、Ti6246 （TC19）等在 400 ~ 500 ℃使用迪胙合金，BT20（TA15）合金厚板产品通过机械加工利用于大型飞机结构件造备 ，而其薄板也宽泛用于超塑成形带筋结构件。Ti6242 合金板材、锻件利用于航空发起机中低温压气机盘、叶片和叶轮，服役温度可达 500 ℃[27–28]。1970 —1990 年设计了 Ti6242S（TA19）、IMI834、Ti1100 等在 520 ~ 600 ℃使用迪胙合金， IMI834 合金厚板、锻件利用于航空发起机中高温压气机机盘、叶片和叶轮，服役温度可达 550 ℃。Ti1100 合金板材用于航空发起机环形点火室筒体和高压压气机叶片和盘件，服役温度可达 600 ℃。1990 年至今国内设计了 Ti55（TA32）、Ti60 （TA33）、Ti65 等在 550~650 ℃使用迪胙合金，Ti55（TA32）合金厚度板材、锻件用于国内航空发起机点火室筒体和巡航导弹弹体结构研造，服役温度可达 550 ℃。Ti60（TA33） 合金厚板用于航空发起机叶片、盘、 鼓筒等高温部件，服役温度可达 600 ℃。Ti65 合金薄板用于超音速飞机蜂窝结构和壁板，服役温度可达 650 ℃。此表，高强高韧钛合金板材类产品也被宽泛利用于航空和海洋工程（图 1），Ti15333（TB5）合金薄板抗拉强度和延长率可达 1375  MPa 和 5%，成形后利用于大型运输机管路和冷成形钣金零件。Ti5553 合金强度可达 1517 MPa， 用于飞机起落架。Ti62A 合金板材强度和断裂韧性可达 1134 MPa 和 72.79 MPa·m1/2，这种高强高韧危险容限型钛合金板材利用于深海载人潜水器。最后，船用钛合金板材类产品的利用也出现逐年增长趋向。以 TA5、Ti70（TA23）、Ti75（TA24）和 Ti80（TA31）为代表的船用钛合金在船体上利用的加工材类型重要为板材，蕴含桅杆、导流罩、耐压气瓶和壳体等结构部件，如 图 1 所示。整体而言，钛合金板材类产品利用极度宽泛，除了以上列举的航空、航天、海洋、船舶领域，在刀兵、装甲、化工、医疗器械、汽车等行业均利用宽泛。钛合金板材造备技术则凭据分歧的使用需要，在表观、显微组织和机能上有分歧的节造步骤和技术重点。

图 1 钛合金发展及其板材利用

1、钛合金板材造备技术概况

钛合金板材造备是一个通过冶金和物理步骤得到满足指标需要几何表形和力学机能板材的过程。板材几何表形节造是根基的造备要求，蕴含厚度、宽度、长度、翘曲度、表表质量等。板材的力学机能取决于合金元素的增长和热机械过程（轧造、热处置），通过合金化和热机械过程调控组织描摹、 第二相类型、相比例和织构类型，以实现对力学机能的定量调控。 

凭据钛合金板材的厚度、β 相不变系数 Kβ和热变形个性，其轧造工艺能够分为单相区热轧、两相区热轧、冷轧及三者的组合工艺，共同相应的热处置工艺可造备分歧厚度和多种组织状态的板材（图 2）。在厚度节造上，厚板造备过程通常是在相变点左近轧造，通过 1 ~ 3 个火次直接热轧至制品厚度；薄板造备过程通常选取热轧至中央厚度，冷轧到制品厚度，再结晶退火后达到交货状态；难变形高合金化薄板通常选取包套叠轧（热轧）至制品厚度。在组织节造上，通过对轧造火次、轧造温度、变形量、热处置温度等工艺参数调整，能够实现对组织描摹的节造， 如图 2 所示。组织描摹决定了板材的力学机能，通常以为全片层组织拥有优良的韧性、较高的蠕变强度和较低的裂纹扩大速度，双态组织 拥有较高的委顿寿命和优良的强塑性匹配，等轴组织拥有较高的抗拉强度、优良的塑性和优异的超塑性。

图 2 钛合金分类与板材造备工艺示意图

2、钛合金薄板造备技术近况及问题

受热轧机厚度节造精度和轧造力的限度，钛合金薄板的制品加工过程通常选取冷轧和包套叠轧造备技术。

2.1 冷轧钛合金薄板

由于常温下近 α 钛合金和 α?+ β 两相钛合金重要为 α 相，而 β 和近 β 钛合金重要为 β 相，相种类和相结构分歧使分歧钛合金的塑性加工能力和板材成形方式分歧。图 3 为钛合金板材冷轧加工硬化曲线，可知分歧类型钛合金的冷轧加工能力有较大差距，整体上随着合金化水平的提高，板材抗拉强度（Rm）越高，延长率（A5）越低加工硬化过程越显著。纯钛和 β 合金的塑性成形能力有显著优势，冷轧变形量可达 80% 左右。受合金化的影响，TA5 近 α 合金和 TC6 两相合金冷成形能力较差，极限变形量别离为 26.5% 和 31.0%，超过极限变形量后板材表表和边部起头形成微裂纹。通过冷轧造备钛合金薄板重要分为两个步骤：第 1 步热轧至中央厚度；第 2 步冷轧加工板材至制品厚度。冷轧造备迪胙合金板材，其表表质量、板材不平度、厚度精度等能够得到优良节造，因而冷轧造备技术在钛脊合金薄板造备过程中得到宽泛利用。 

2.1.1 α 钛合金及 α?+?β 两相钛合金

图 4 为 α 钛合金和 α?+?β 两相钛合金通过冷轧造备技术加工薄板的工艺流程和组织演变情况。通常 α 钛合金和 α?+?β 两相钛合金冷轧薄板加工工艺如图 4（a）所示，此工艺在 TA10、TA18、TC1、TC2、TC4 等钛合金薄板造备过程中均有利用。钛合金锻坯经过单相区Ⅱ轧造，能够降低变形抗力，充分破碎锻坯的粗晶组织，并且提高轧造效能。Ⅲ均一化过程为加热至单相区而后急剧冷却，重要是均匀化变形组织并且弱化形变织构，节造冷却速度能够实现对 α 片层尺寸的节造（冷却越快越细。 和晶界 α 析出量的节造（冷却越快越不易析出）。Ⅳ两相区热轧至中央厚度（通常是热轧极限厚度），而后通过中央退火获得充分软化的再结晶等轴组织，为冷轧提供组织和机能前提。必要注明的是，随着热轧机组精度的提高，仅通过Ⅳ热轧过程也可造备出较薄板材。α 钛合 金、α?+?β 两相钛合金经过Ⅴ中央退火后，室温下重要为 α 相。Ⅵ冷轧变形过程重要是 α 相的变形过程，此过程重要通过节造板材的路次变形量和火次变形量，最终获得指标尺寸和机能的板材。分歧钛合金板材的最优冷轧变形量是分歧的，可通过绘造冷轧加工硬化曲线获得 （图 3），通常最优冷轧变形量为极限变形量（表表出现微裂纹时的变形量）的 60% ~ 80%，如 TC4 合金优化的冷轧火次变形量为 26.3%， TC6 合金优化的冷轧火次变形量为 25% ~ 27%。合理的冷轧变形量寂仔利于冷轧高效加工，又可在制品退火后得到均匀的再结晶组织。

图 3 钛合金板材冷轧加工硬化曲线

α 钛合金和 α?+?β 两相钛合金在室温下重要由 α?相组成（体积分数 > 90%），因而这两类合金板材冷轧变形过程有类似的变形特点，如 TA1 与 TC4 板材，室温变形重要阐发为 α 晶 粒的滑移变形和动弹，晶粒拉长、破碎，形成冷轧变形组织。图 4（b）~ （d）为典型的全 α 相纯钛板材经中央退火后冷轧过程的组织演变、位相差演变和织构演变。随着轧造变形量由 10% 增长至 40%，显微组织沿轧造方向逐步拉长，球状组织充分破碎，形成大角度晶界（图 4（b））；幼角度晶（LAGB）界由 8.4% 增长至 66.1%， 注明变形过程位错缠结塞积水平增长 （图 4（c））；轧造过程板材形成双峰基面织构和基面织构（图 4（d））。

图 4 钛合金冷轧薄板的加工工艺和组织演变

对冷轧板材进行Ⅶ再结晶退火后显微组织演变重要蕴含再结晶过程和第二相的析出，形成再结晶织构和相变织构。以近 α 钛合金 Ti65 合金（相变点 1035 ℃）板材为例，通过对轧造状态 2.0 mm 板材节造热处置温度获得等轴和双态两种组织状态的板材（图 5）。对 Ti65 合金板材进行 800 ℃/30 min 和 990 ℃/30 min 热处置后，轧造变状态长条 α 组织迅速削减，得到藐幼的等轴组织（图 5（a）和（b）），随着温度升高，沿初生 α 相 αp 晶界处析出次生 α 相 αs 片层，αp 晶界清澈，晶粒尺寸增长（图 5（b））。经两相区高温（1020 ℃/30  min AC + 700 ℃/4 h AC ）热处置后形成双态组织（图 5（c）），重要阐发为 αp 含量分歧，图 5（a）~（c）中 αp 体积分数别离为 90%、70% 和 30%， 随着热处置温度提高 αp 削减，αs 增长，最终形成双态组织。两相区热处置过程板材织构种类维持不变，蕴含 Ⅰ织构（1 - 21 - 0）织构，（1 - 21 - 0） 面 // 轧造面，// 轧向和Ⅲ织构 为（011 - 3）// 轧面的纤维织构。织构强度随着热处置温度逐步演变， 高温固溶时效板材的织构强度显著增长。

图 5 Ti65 合金板材分歧热处置造度的显微组织与织构 3D–ODF 图

2.1.2 近 β 钛合金 

图 6 所示为近 β 两相钛合金通过冷轧造备技术加工薄板的工艺流程和组织演变。通常 β 钛合金和近 β 钛合金冷轧薄板的加工工艺如图 6 （a）所示，此工艺在 TB5、TB6、TB8、 TB15 等钛合金薄板造备过程中均有利用。与 α 钛合金和 α?+?β 两相钛合金冷轧薄板的加工工艺（图 4 （a））的重要区别在于热轧过程无均一化处置和中央退火选取单相区固溶退火。近 β 钛合金相变点较低，两相区轧造温度较低，变形抗力较大，不利于板型和表表质量节造。因而，通常热轧过程Ⅱ选择单相区或相变点左近轧造，降低变形抗力，提高轧造效能。Ⅲ单相区固溶处置的重要原因在于预防低温热处置冷却过程时效强化，软化板材，为冷轧阶段提 供组织和机能基础。近 β 钛合金和 β 钛合金经过Ⅴ固溶退火后，室温下重要为 β 相（BCC 结构），室温下塑性优良，因而凭据造备板材的厚度情况，通过Ⅲ固溶和Ⅳ冷轧工序屡次反复循环，可实现较薄板材的造备 。

β 钛合金固溶处置后在室温下重要由 β 相组成（残存少量 α 相）， 因而这类合金板材冷轧变形过程有类似的变形特点，如 TB5 合金和 Ti–23Nb–0.7Ta–2Zr 合金薄板， 重要阐发为 β 晶粒的滑移变形，晶粒拉长、破碎，形成冷轧变形组织。典型的 β 钛合金（Ti–14.23%V–3.62%Al– 3.74%Sn–2.67%Cr–0.43%Si，质量分数） 分歧冷轧变形量和再结晶退火后的显微组织，如图 6（b）和（c）所示，随着变形量的增长形成大量滑移带和应变部门化景象加剧，再结晶退火后获得均匀的等轴组织。近 β 钛合金 （Ti–3.5Al–5Mo–6V–3Cr–2Sn–0.5Fe， 质量分数）轧造和退火过程的织构演变，如图 6（e）~（h）所示，冷轧和退火过程形成 γ 纤维织构（<111> 晶向 // 轧面法向）。由于 β 钛合金良好的冷加工机能，能够实现超大冷轧变形和交叉轧造，如 TB8（β21S）亚稳 β 钛合金冷轧加工变形量可达到 80% 以上（图 3）。通常 β 钛合金和 近 β 钛合金冷轧变形量须达到 50% 以上能力充分变形获得均匀的轧造组织。

图 6 钛合金冷轧薄板的加工工艺和组织演变

2.1.3 冷轧造备技术现存问题 

冷轧钛合金薄板受到轧造变形量、轧造方向的限度，通过冷轧造备技术加工迪胙合金薄板易出现以下问题。

（1）加工效能低。以 TC4 为例，从 2.8 mm 冷轧至 1.0 mm，凭据图 2 给出的 TC4 最优加工率（20% ~ 25%） 推算，必要 4 个轧程，中央必要进行 3 次退火和表表处置，效能低、资源浪费大。通过热轧叠轧技术、包套叠轧技术或卷带式出产能够提高加工效能。 

（2）板材组织不均匀。HCP 结构 α 相拥有 12 种滑移系，少于 BCC 结构 β 相的 48 种滑移系，而室温下 α 钛合金和 α?+?β 钛合金大部门为 α 相，HCP 结构限度了钛合金塑性变形能力和加工率。导致板材心部区域无法充分变形，出现组织不均匀景象。图 7（a）为 TC4 板材经 18.1% 冷轧变形后的显微组织，红框中区域不充分变形，最终导致退火后组织粗壮且不均匀，影响板材的超塑成形过程。增大冷轧变形量和合理地提高热处置温度能够改善此类问题。 

（3）板材翘曲度问题。现有产品对翘曲度的要求最高 <1.2%（TB5 合 金薄板），而通过冷轧造备技术加工迪胙合金薄板，翘曲度可达 1.5% ~3%， 如图 7（b）所示。翘曲度不达标会导致自动焊接焊缝不合钟注冷热成形不均匀。带张力轧造、液压弯辊、弯曲矫直和蠕变退火技术的利用能够有效改善薄板的板型问题，降低板材的翘曲度。 

（4）板材易形成微区织构。由于热轧过程变形量和轧造温度的不良匹配，片层 α 取向球化过程形成取向近似一致的晶粒荟萃区域，后续通例冷轧变形和退火过程无法彻底解除此类微观区域，此类大尺寸、多晶粒取向一致的区域称为微区织构 （Macro-zone，MZ）。图 7（c） 和（d）为 35% 冷轧变形后 750 ℃/30  min 退火的 1.0 mm 厚 TC1 合金板材的显微组织和再结晶散布图。从图 7（c）中能够看出 MZ 区出现玄色条带状散布于显微组织中，MZ 区内部为幼角度晶界荟萃的未再结晶、 细晶区域。MZ 区内的细晶出现出 类似取向，如图 7（d）所示。MZ 区在表力作用下易产生应力集中，会显著降低板材的委顿机能。通过热轧半制品板材组织优化或增大冷轧累积变形量能够解除此类 MZ 区。

图 7 冷轧钛合金薄板的常见问题

2.2 包套叠轧钛合金薄板 

2.2.1 造备工艺 

包套叠轧造备钛合金薄板通常分两步进行。第 1 步是将板材换向轧造到中央厚度，约莫是最终轧造厚度的 3 ~ 4 倍；第 2 步是将钛板以类似眉山治的方式叠放装配在钢套中，加热轧造到所需的制品尺寸；幌蛟造是为了使轧造板材的纵向和横向机能均匀。 

图 8 钛合金包套叠轧薄板的加工工艺和组织演变

图 8 所示为通过包套叠轧造备技术加工钛合金薄板的加工工艺和组织演变。钛合金薄板的包套叠轧造备工艺如图 8（a）所示，通常高合金化的近 α 钛合金和 α?+?β 两相钛合金薄板用此步骤造备，如 TA15、TA32、Ti65 合金。包套叠轧前的加工工艺与冷轧薄板造备工艺类似，钛合金锻坯经过单相区轧造Ⅱ，单相区均一化处置Ⅲ后急剧冷却，两相区热轧至中央厚度Ⅳ（通常是制品厚度的 3 ~ 4 倍），而后进行包套叠轧Ⅴ。重要是将多层叠放迪胙板用钢套包套（图 8 （b）），进行整体加热和轧造。最后进行热处置和表表处置得到制品板材。包套叠轧技术的关键节造重点在于轧造温度、叠轧片数、板型和厚度均匀性。图 8（c）是用包套叠轧技术造备 1.0 mm 厚 TC4 板材的显微组织， 等轴组织均匀藐幼，均匀晶粒尺寸为 3.9 μm，包套叠轧工艺的火次变形量弘远于单片冷轧工艺，因而更容易获得藐幼均匀的显微组织。此表，包套叠轧工艺能够实现屡次换向轧造，有利于获得对称性较好的基面织构，如图 8（d）所示，此类织构板材力学机能各向异性较幼，有利于塑性成形和深加工利用。

2.2.2 包套叠轧造备技术现存问题 

包套叠轧轧造技术的包套钢套能够实现保温轧造，对造备难变形钛合金、冷轧加工性差迪胙合金板材，实用性很高。此表，包套叠轧轧造技术能够增长轧造厚度，实现热轧可控轧造薄板；提高轧造效能，热轧减幼抗力，缩短薄板造备周期；实现屡次换向轧造，节造板材织构；保温成效优良，可实现大变形，造备细晶板材。重要的工艺难点是多工序、流程复杂、过程节造难度大。

图 9 包套叠轧钛合金薄板的常见问题

通过包套叠轧造备技术加工钛合金薄板出现的重要问题蕴含 3 点， 如图 9 所示。 

（1）板材残存应力较大。包套叠轧造备技术加工钛合金薄板火次变形量大，且轧造后板材表表处置工序复杂，轧造和表表处置（磨削、砂 光）过程均会引入残存应力，以至板材残存应力增大。如包套叠轧造备的 TC4 薄板（2.0 mm 厚度）沿厚度方向从板材表表诚意部的残存应力散布，如图 9（a）红色曲线所示，板材残存应力较大，在 –101~ –4 MPa 之间。较大的板材残存应力不利于利用过程薄板的冷、热成形。通过再结晶热处置与真空蠕变处置结合的步骤能够显著降低板材残存应力，处置后板材残存应力降低至–18~27 MPa，如图 9（a）蓝色实线所示。 

（2）晶界 α 长条组织遗传。晶界长条 α 拉长、扭曲或断续的景象在 TC4、TA32、Ti65、SP700 等包套叠轧造备迪胙合金薄板中均时有出现。重要是由于Ⅲ均一化过程（图 8（a）） 冷速节造不当，冷速过慢会导致晶界 α 沿原始 β 晶界大量析出并粗化，如图 9（b）所示，SP700 板材的均一化组织。长条晶界 α 组织一旦形成，在热轧过程很难彻底解除，即便累积变形量达到 90%，也只会扭着、弯曲或断裂，最终形成图 9（c）所示的异常组织，影响 SP700 资料的超塑成形机能。通过严格节造Ⅲ均一化过程的冷速预防晶界 α 相形成，或降低温度增大变形量轧造均可解除钛合金薄板的长条 α 异常组织。 

（3）薄板力学机能各向异性问题凸起。包套叠轧造备技术工艺设计时，由于轧造变形量和轧造方向设计不合理，易形成刁悍向织构或者双峰基面织构，导致沿板材分歧方向的力学机能产生差距，影响板材的深加工和服役机能。这种各向异性问题在 TA32、TA15、TC4、Ti65 等合金薄板中常见，如图 9（d）为刁悍向织构的 Ti65 合金薄板沿 TD 和 RD 方向高温蠕变机能的位移 – 功夫曲线，能够看出 TD 方向的高温蠕变持续功夫约为 RD 方向的 3 倍。此表，强织构作用下 Ti65 合金板材沿 TD 和 RD 方向的蠕变变形机理分歧，沿 TD 方向的蠕变变形受晶界滑移和扩散节造，沿 RD 方向的蠕变变形受位错滑移节造。通过节造轧造方向和优化换向轧造前后变形量比能够有效地改善板材各向异性问题。 

3、结论

整体而言，钛脊合金薄板的轧造造备技术在从前几十年间形成了较为齐全的系统，通过冷轧和包套叠轧造备技术可实现钛合金国标商标的大部门产品出产造备，国内根基实现了钛合金薄板自食其力、自主可控。但在高品质钛合金薄板造备技术上进展缓慢，高合金化板材加工效能低、高机能板材表观精度不良和各向异性较大、宇航级板材批次不变性不良等问题仍旧存在。另表，钛合金薄板自动化造备技术发展缓慢。轧造设备、节造方式发展缓慢，造备过程人为过问较多、自动化水平偏低，导致板材产品的出产效能低，人为成本高，板材组织机能的均匀性、批次不变性不易节造。 

关于钛合金板材造备技术的精密化节造和自动化钻研工作从未终场。未来钛合金薄板造备过程的标 准化作业、控轧控冷技术利用、低成 本钛合金和高机能钛合金薄板造备技术开发将成为钛合金薄板加工行 业的沉点工作。