2、 實驗結(jié)果與討論

2.1 軋制工藝對顯微組織的影響

Gr.38板材經(jīng)過近β軋制：980 ℃軋制（1 # 工藝），退火后獲得初生等軸α相（體積分數(shù)10%~15%）+β轉(zhuǎn)變組織典型雙態(tài)組織（圖2(a)），β轉(zhuǎn)變組織中的次生條狀α相細密且交織成網(wǎng)狀。兩相鈦合金在α+β兩相區(qū)變形過程中，片層α相的等軸化是其塑性變形過程的重要行為，動態(tài)再結(jié)晶被認為是片層組織等軸化的重要機制 [7] ；Gr.38板材經(jīng)過準β軋制：1010 ℃軋制（2 # 工藝），退火后獲得典型的片層組織（圖2(b)），β晶粒沿金屬流動方向被壓扁拉長，在β晶粒中產(chǎn)生了明顯的彎曲變形帶，在變形晶粒的交叉處以及變形帶上有部分細小的等軸晶粒，發(fā)生了部分動態(tài)再結(jié)晶；Gr.38板材經(jīng)過高溫淬火+低溫軋制：1010 ℃淬火+900 ℃軋制（3 # 工藝），退火后獲得細小混亂交織的網(wǎng)籃組織（圖2(c)），高溫淬火形成的原始β晶界獲得充分破碎，無明顯細晶界α存在；Gr.38板材經(jīng)過低溫軋制：900 ℃軋制（4 # 工藝）退火后獲得典型的等軸組織（圖2(d)），初生α相含量增多，低溫軋制導致金屬加工流線更明顯，且拉長的層狀α增多；Gr.38板材經(jīng)過5 # 和6 # 軋制工藝下退火后獲得的組織α相被拉長，排列更加有序，體現(xiàn)在橫向和縱向力學性能各向異性更加明顯。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，880 ℃低溫大變形換向軋制獲得的板材組織，初生層狀α相相對更加細小，長寬比更大，次生α相呈細密混亂交織狀。而900 ℃軋制的板材組織中，初生α相粗大且呈云朵狀，次生α相沿金屬加工流線方向呈條狀且混亂交織程度較小。

2.2 軋制工藝對力學性能的影響

工藝決定組織，組織決定性能，軋制工藝對鈦合金板材力學性能有著很大的影響。圖3是Gr.38鈦合金板材經(jīng)不同軋制工藝后的力學性能表現(xiàn)，由圖3看出，對比1 # 和2 # 工藝的力學性能，隨著軋制溫度的升高，材料的強度指標急劇下降，表明過高的軋制溫度不利于改善材料的綜合力學性能。3 # 工藝表明材料在高溫淬火后進行低溫軋制，抗拉強度、屈服強度均有所提升。經(jīng)過工藝4 # ~6 # 軋制，材料性能相對工藝3 # 來說變差。

Gr.38 鈦合金板材進行不同的軋制工藝處理后，其性能測試結(jié)果如表 3 所示。由表 3 可以看出，并非所有結(jié)果都能達到標準，具體來說，1 # 、2 # 、4 # 工藝軋制后的板材均未能滿足既定的性能要求，僅 3 # 和 6 # 工藝符合預定指標要求。對于 3 # 和 6 # 工藝，在強度方面 3 # 工藝稍強于 6 # 工藝，但在塑性–韌性–硬度方面工藝 6 # 工藝要優(yōu)于 3 # 。綜合來說，在符合指標要求的情況下，6 # 工藝性能匹配最佳。近一步分析發(fā)現(xiàn)，6 種軋制工藝生產(chǎn)的板材在縱向方向上均表現(xiàn)出比橫向更高的沖擊韌性，高出約 2~3 J。這一現(xiàn)象可以歸因于縱向方向上長條α 的交叉排列 ， 這種排列在沖擊過程中增加了斷裂裂紋的擴展路徑，從而使得裂紋擴展所需的能量逐級增加 [8] ，最終導致合金板材的沖擊韌性得到提升 。 在硬度方面， 3 # 和 6 # 工藝生產(chǎn)的板材硬度相對較高。特別值得注意的是，3 # 工藝，即高溫淬火（T _β +20 ℃）+低溫軋制（T _β -90 ℃）生產(chǎn)的板材在力學性能的各向異性方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，因為板材中的織構(gòu)是影響合金力學性能各向異性的主要因素之一 [9] 。Cheng 等 [10] 對 TA32 高溫鈦合金的研究表明：隨著退火溫度升高，α 相中逐漸形成 R 型織構(gòu)，B 型織構(gòu)逐漸減弱，織構(gòu)強度的差異主要與初生 α 相和轉(zhuǎn)變 β 相體積分數(shù)有關(guān)。通常，基面織構(gòu)會削弱各向異性，而 R 型織構(gòu)和 T型織構(gòu)會增加各向異性。通過對 4 # 和 6 # 工藝的力學性能數(shù)據(jù)進行對比，可以發(fā)現(xiàn)換向交叉軋制可以減小力學性能的各向異性，這也符合薄東明等 [11] 對 ZK60 鎂合金的研究：交叉軋制可以削弱基面織構(gòu)，消弱板材各向異性，使材料組織更加均勻，提高斷后延伸率。在結(jié)合3# 工藝，可以給出結(jié)論：高溫淬火和換向交叉軋制能夠有效消弱織構(gòu)，從而減小橫縱向性能的差異。

綜上所述，通過對Gr.38鈦合金板材的不同軋制工藝下組織及力學性能進行對比和分析發(fā)現(xiàn)，首先3 # 和6 # 工藝軋制的板材各項性能均滿足指標要求；其次適當?shù)母邷卮慊鸷偷蜏負Q向軋制工藝對于提高材料的力學性能和減少性能各向異性具有重要作用。這些發(fā)現(xiàn)對于優(yōu)化鈦合金板材的生產(chǎn)和應用具有重要的指導意義。

2.3 抗彈性能

打靶測試選用了各項力學性能均滿足預期研發(fā)指標要求的3 # 和6 # 工藝生產(chǎn)的Gr.38鈦合金板材，板材熱處理后表面進行拋丸酸洗處理。按照 GJB59.18—1998 進行打靶測試，射擊參數(shù)：100 m 射距，53 式 7.62 mm 普通彈，經(jīng)過 5 發(fā)子彈射擊后，打靶測試結(jié)果見圖 4，3 #工藝高溫淬火（T _β +20 ℃）+低溫軋制（T _β -90 ℃）生產(chǎn)的板材經(jīng) 5 發(fā)子彈射擊后，3 發(fā)直接侵徹貫穿板材，兩發(fā)彈坑較深，背面開裂，防護等級較低；6 # 工藝低溫大變形換向軋制（T _β -110 ℃）生產(chǎn)的板材經(jīng) 5 發(fā)子彈射擊后，板材正面 4 發(fā)子彈彈坑較淺，1 發(fā)子彈彈坑較深，板材背面均未出現(xiàn)開裂。測試結(jié)果表明在綜合性能匹配最佳的情況下，防彈效果最好，這與王幸運等 [7] 的研究結(jié)果一致。

3、結(jié)論

（1）經(jīng)過不同軋制工藝研究發(fā)現(xiàn)，兩相區(qū)軋制+普通退火態(tài)（3 # —4 # 工藝）的板材強度、塑性以及韌性匹配要優(yōu)于近 β 和準 β 軋制的板材，且經(jīng)過高溫淬火+低溫軋制的板材各向異性明顯小于純低溫軋制的板材，說明高溫淬火可以消弱織構(gòu)，減小橫縱向性能差異。

（2）隨著軋制溫度的升高，Gr.38 鈦合金板材的強度和塑性指標急劇下降，過高的軋制溫度不利于改善材料的綜合力學性能。

（3）3 # 工藝高溫淬火+低溫變形和 6 # 工藝低溫大變形換向軋制的板材縱橫力學性能均能滿足指標要求，考慮到工程化應用的便捷性，選擇 6 # 工藝低溫大變形換向工藝進行 Gr.38 鈦合金板材的軋制。

（4）6 # 工藝生產(chǎn)的 Gr.38 鈦合金板材在強度、塑性、沖擊韌性、硬度綜合性能匹配最佳的情況下，防彈效果最好。

參考文獻：

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作者簡介

景亞婷（1994—），女，甘肅省武威市人，本科，助理工程師，主要從事鈦合金質(zhì)量管理工作。通信地址：新疆維吾爾自治區(qū)哈密市伊州區(qū)花園鄉(xiāng)重工業(yè)園區(qū)新疆湘潤新材料科技有限公司；E-mail：2047207106@qq.com。