TA5-A钛合金板材“表面花纹”分析与研究

  随着船舶工业技术的发展,我国舰船领域对钛材料的需求日益增加。目前中国舰船用钛量相对国外较少,加工技术不成熟,钛合金材料主要应用于潜艇和水中兵器。TA5-A钛合金是一种全α型钛合金,具有中等强度、良好的焊接性能及耐海水腐蚀性能,应用于舰船等耐海水条件下的受力构件、螺栓、轴以及耐压壳体。但是TA5-A钛合金材料在热加工过程中硬化快、变形抗力大,成形困难,表面易出现裂纹,影响材料的成材率、表面质量等。为了解决板材成形时出现的问题,轧制前对TA5-A板坯表面包覆纯钛层,此工艺可以有效地减少成品表面的裂纹产生,但在后续表面处理时板材表面易形成不规则的“细花纹”影响表面质量。科研人员通过金相、电镜扫描和能谱分析等方法对产生的“花纹”进行了分析与研究,找出了产生原因和解决方法,对TA5-A热轧板材的工艺路线进行了完善。

  实验材料为16mmTA5-A板材,化学成分(质量分数,%):Al3.7~4.5,B≤0.005,Fe≤0.3,Si≤0.15,C≤0.1,N≤0.04,H≤0.015,O≤0.15,Ti余量。

  将TA5-A合金16mm板材坯料在辊底式电炉进行加热,在热轧机上进行轧制,经过热处理、表面处理后进行性能测试。采用冷场发射扫描电镜以及倒置式金相显微镜和能谱仪对16mm厚成品板材金相组织进行观察。观察发现,板材表面存在细小花纹样。

  对处理后的16mm成品板材表面进行PT渗透处理,花纹表面也未发现有裂纹存在。对花纹表面进行金相组织观察发现,16mm厚成品板材组织为等轴组织,且完全等轴化,晶粒尺寸均匀、细小,花纹并未向基体内延伸。对板材表面花纹处进行观察,横截面处未观察到明显裂纹。在扫描电镜下观察试样表面花纹,发现板材表面的花纹为一些连续的10~30μm大小的坑。从能谱分析结果来看,小坑部分与材料基体成分一致。可以排除材料的成分偏析所致。

  将花纹特征与爆炸不锈钢复合板界面结合特征比较,发现特征相类似。TA5-A成品表面的花纹为爆炸覆合所产生的锯齿状结合界面,爆炸覆合的宏观界面呈锯齿形。在齿与齿之间,基板和覆板受强大的爆炸冲击力作用形成了几微米宽的过渡区,该区域内位错密度增大,并有细小的覆板碎屑存在。研究结果表明:

  (1)TA5-A合金表面花纹并非材料化学成分偏析所致,也不是轧制产生的表面裂纹,而是在表面包覆时纯钛层与合金产生的结合界面所致,复层和基体紧密结合,深浅不一。
  (2)通过多次表面打磨抛光处理再经过酸洗后表面花纹消失。