Q值介导的单道次冷轧Ti-2Al-2.5Zr管材织构与性能演变

《International Journal of Pressure Vessels and Piping》：Q-value-mediated texture and property evolution in single-pass cold-pilgered Ti-2Al-2.5Zr tube

　　•较高的Q值使基面织构从周向转向径向。
•冷轧晶界细化在Q=2.14时最为显著。
•在室温单调加载下建立了轴向拉伸响应。
•随着高Q强度稳定，伸长率从15.1%提升至22.7%。

引言

Ti-2Al-2.5Zr是一种近α钛合金，用于管材应用，包括液氢管道和蒸汽发生器传热管[1]。此类管材可通过拉拔、挤压或冷轧管生产。冷轧管广泛用于无缝管生产，因为它能结合大变形量、精确的尺寸控制和良好的表面质量[2]、[3]。材料单元在往复轧制、轴向进给和周向旋转过程中经历反复的增量变形，产生复杂的应变路径，而非简单的平面应变压缩[4]。因此，加工参数会改变最终显微组织、残余应力状态和各向异性[2]、[5]。

关于冷轧管的国际研究已确立管材变形本质上是增量式和非比例的。Mulot等人和Montmitonnet等人的三维有限元分析解析了连续行程过程中应力应变场的变化，并证明了变形和轧制载荷对接触和摩擦条件的敏感性[6]、[7]。近期更完善的 validated 热机械模型将工艺参数与轧制力、温度、几何演化和加工硬化联系起来，而管壳试验表明晶体学织构和先前热处理也影响轧管可加工性[8]、[9]。这些研究将冷轧管定义为工具-摩擦-材料耦合问题，并为解释Q控制的应变分配对钛管材的影响提供了国际工艺力学背景。

α钛合金的塑性变形由晶体学滑移和，在有利条件下，形变孪生共同协调；这些模式的相对活性取决于合金成分、晶体取向和应力状态[10]、[11]。Ti-2Al-2.5Zr和Zircaloy-4管材的单道次研究表明，随着应变累积，棱柱、锥面、基面和孪生贡献沿轧管路径会发生变化[1]、[12]、[13]。Q比值，定义为壁厚减薄与外径减薄的相对量，因此成为主要工艺变量：增大Q通常使基极向管材径向偏移，并增强径向织构[2]、[14]、[15]。多道次分析进一步表明，这一趋势与面积减薄率和初始织构耦合，而非仅由Q决定[16]、[17]。因此，从初始随机或强周向织构获得的结果不能直接迁移到具有径向基面初始织构的管材上。

在钛专用研究之外，对轧制六方密堆积管材的EBSD和衍射研究提供了关于局部织构和退火演化的可迁移证据。Allen等人利用ZIRLO管材的间断轧制，表明微织构和硬度随Q产生系统的壁厚和轴向变化，而Choi和Inoue将重复轧制与锆合金管材的晶粒伸长、基面/棱柱织构发展和腐蚀响应联系起来[18]、[19]。Juarez等人随后解析了冷轧Zircaloy-4管材工作区和壁厚方向的织构梯度，表明初始织构和局部变形历史在轧制后仍然有影响，尽管退火减少了部分壁厚不均匀性[20]。更近期，Maric等人结合非原位和原位EBSD与晶体塑性及相场模拟，证明取向相关的储存能、回复和晶粒长大主导工业轧制Zircaloy-4包壳的再结晶织构路径[21]。由于Zr和α-Ti共享HCP晶格但化学成分和滑移/孪生抗力不同，这些研究提供了可迁移的空间分辨表征和机理框架，但不暗示Ti-2Al-2.5Zr中相同的变形系活性。

随后的退火步骤增加了另一层复杂性。在α-Ti冷轧过程中，位错积累和细分首先产生致密的低角度晶界网络；在较大应变下，取向差增大可将部分亚结构转变为高角度晶界[22]、[23]、[24]。回复重组和湮灭位错，同时保留大部分变形形态，而再结晶则用低缺陷晶粒替换变形基体，并可能削弱或重定向轧制织构。对冷轧商业纯钛（CP-Ti）和Ti-3Al-2.5V管材的退火研究表明，回复、再结晶和织构遗传之间的平衡既依赖于温度也依赖于位置[25]、[26]。对于Ti-2Al-2.5Zr管材，完全静态再结晶已被报道在远高于低温去应力退火的温度或更长保温时间下发生[27]。因此，有必要将Q依赖的变形状态与回复主导退火引入的变化区分开。

此外，织构对拉伸行为的影响不能仅从织构强度推断。在单轴加载下，滑移系上的分解剪应力（RSS）取决于其Schmid因子，但滑移激活还需要分解应力达到相应的临界分解剪应力（CRSS）。直接滑移迹线、高分辨率数字图像相关（HRDIC）、中子衍射和晶体塑性研究表明，测量的响应还反映晶粒尺度应力重分布和基面〈a〉、棱柱〈a〉、锥面〈a〉及锥面〈c+a〉系的不同抗力[11]、[28]、[29]。这些效应导致Ti-2Al-2.5Zr中显著的各向异性和不均匀应变局部化[30]、[31]。因此，基于机理的解释必须同时考虑取向分布和竞争滑移族的相对抗力及晶间相容性。

承压钛管材的国际研究强调，制造织构和残余应力状态最终必须针对多轴服役载荷和缺陷容限进行评估。Ti-3Al-2.5V管材的内压脉冲试验表明，纵向表面缺陷显著缩短裂纹扩展寿命，而管状Ti-6Al-4V试验证明双轴拉伸和保载期相对于单轴加载会改变疲劳/蠕变响应[32]、[33]。针对钛管在组合外压和弯曲下的非线性分析，经实验验证，进一步证明了载荷相互作用和材料模型保真度对塌陷评估的重要性[34]。近期基于EBSD的α和α+β钛合金研究表明，局部α晶粒取向、硬取向区域的基面滑移或拉伸孪生，以及微织构区域影响载荷重分布、裂纹萌生和保载疲劳损伤[35]、[36]。低应力冷蠕变测量同样证实，即使在宏观屈服应力以下，滑移活性和应变局部化也依赖取向[37]。在更广泛的压力容器文献中，自增强管寿命评估考虑了压力载荷下的实际循环材料响应[38]。这些研究并不直接预测Ti-2Al-2.5Zr管材的服役寿命，但它们确立了为何加工诱导织构和滑移倾向是后续完整性和疲劳评估的相关上游输入。

总之，全球研究主要将轧管力学、HCP管材织构和退火，以及钛疲劳或压力完整性视为独立问题。然而，对于Ti-2Al-2.5Zr管材，在可比总截面面积减薄下单道次Q、冷轧晶界结构和织构、回复主导退火以及室温轴向拉伸响应之间的直接联系尚未充分建立。这一未解决的加工-结构-性能联系定义了本研究的范围。

先前的单道次Ti-2Al-2.5Zr研究解析了轧制过程中的局部微织构和可能的滑移/孪生贡献，而近期的多道次研究将累积道次减薄与显微组织和拉伸响应联系起来[1]、[13]、[17]。本工业规模实验通过在一道次中改变Q从0.88到2.86，同时保持名义截面面积减薄在可实际实现的60.92%–64.04%范围内，并随后应用相同的500°C退火，来考察不同的问题。在工业冷轧管中，Q和总减薄率不能作为完全独立的参数调整，因为两者都受工具几何、轧机操作范围和成形极限的约束。因此，观察到的趋势被解释为四个Q条件所代表的完整轧制规程，而非在相同减薄率下严格独立的Q效应。在此范围内，Q=1.52时非单调强度最大值和单调伸长率增加构成了本文所考察的特定加工-显微组织-性能关系；Q=1.52并不声称在本文起始材料、减薄范围、热处理和轴向加载条件之外是通用最优值。

因此，本研究考察Ti-2Al-2.5Zr管材在Q=0.88–2.86、可比名义面积减薄条件下单道次冷轧。评估冷轧和500°C退火后的显微组织、晶界分布、织构、室温拉伸性能和断裂形貌。然后使用Schmid因子分布，结合观察到的晶界结构和织构演化，阐明Q如何控制强度-韧性响应，而不将滑移活性仅归因于几何取向。所得趋势可在承压管材的特定应用环向、双轴、疲劳和结构鉴定之前，支持工业冷轧规程的初步选择。

章节片段

实验材料与步骤

本研究使用攀钢集团提供的Ti-2Al-2.5Zr合金管材，其标称化学成分列于表1。材料经三次真空自耗重熔、锻造、机加工、穿孔和多道次轧制至单道次轧管实验所需尺寸。

Q比值表征冷轧过程中壁厚减薄和外径减薄的相对贡献，定义为Q=(s0?st)D0(D0?Dt)s0，其中D0和s0为初始外径和壁厚。

初始显微组织和织构

图2显示了接收态退火管材的显微组织和织构。这里的取向成像图（OIM）指基于EBSD的取向分布图，按反极图（IPF）规则着色。在基于RD的IPF着色OIM中，红、绿、蓝分别对应〈0001〉∥RD、〈112ˉ0〉∥RD和〈011ˉ0〉∥RD。取向差大于15°的晶界绘制为粗黑线，而2°至15°之间的晶界绘制为细红线。

冷轧和退火态Q依赖的显微组织和织构

Q比值改变变形路径，而非仅改变总减薄量。在本实验中，面积减薄范围限制在60.92%–64.04%，而直径减薄和壁厚减薄之间的平衡发生显著变化。低Q强调外径减薄和周向压缩，而高Q强调壁厚减薄和径向压缩。径向和切向应力分量相对变化所伴随的改变，改变了激活的滑移系集合。

结论

主要结论如下：

1. 在所有Q值下，单道次冷轧产生轴向拉长的、强细分显微组织。冷轧低角度晶界分数随Q增大从78.1%变为79.9%、84.9%和75.1%，最低平均相关取向差（9.43°）出现在Q=2.14。与特征孪生轴角关系一致的小晶界分数支持主要受滑移控制的响应，尽管在空间...

CRediT作者贡献声明

Jingyi Wu：写作–原稿，软件，方法学，调查，正式分析，概念化。Ying Wang：写作–审阅与编辑，方法学，正式分析。Xiaofeng Luo：数据管理。Yuan Xing：监督，软件，数据管理。Baifeng Luan：写作–审阅与编辑，概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在可能影响本报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。

Jingyi Wu|Ying Wang|Xiaofeng Luo|Yuan Xing|Baifeng Luan