钛及钛合金拥有强度高、、密度小、、耐高温、、耐侵蚀等优异机能[1-2]，，，被用于制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，，，传统的钛材制备存在出产周期长、、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 能够将重熔次数减为 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的钛锭[6]。。以上方 法出产周期长，，，成本高，，，CO₂ 排放量大。。粉末冶金是 钛材制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 空或保；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 熔炼即可制备钛制品，，，降低了能耗，，，从而降低了成本，，， 但依然存在其他不及，，，如制粉过程难题、、成本依然偏 高、、必要保；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，，，将海绵钛压抑成坯，，，在 保；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。。金属粉末轧制法 通过轧机将金属粉末轧制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制，，，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制，，，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 绵钛预压坯在轧制过程中协同变形；；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制制备板材的可行性，，，该工艺 省去熔炼和铸造环节，，，有望实现钛板材的低成本制备。。 

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。。 首先用压机将海绵钛压抑成如图 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，，，选取氩气保；ず附 技术进行封装。。选取多职能热轧机进行板材轧制，，，轧 制过程分为 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道次轧制后板材厚度由 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 道次轧制后板 材厚度由 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 道次轧制后厚度由 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 地位的孔隙面积。。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 型微机节制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，，，轧制过程中未选取 立轧对宽度方向进行压缩。。图 4 为经第一道次轧制后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，，，随着板材厚度减小，，，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厚轧板相比硬度差值为 29.36 HV，，，1/2 地位（板宽中 部）硬度增长幅度最小，，，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，，，轧板厚度减小，，，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 压下量对孔隙面积的影响

分歧厚度轧板的孔隙面积散布如图 7 所示。。从图7 可知，，，25 mm 厚轧板边部孔隙面积较大，，，约为 72 μm2，，， 而 1/4、、1/2 地位孔隙面积大幅减小，，，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 厚轧板边部孔隙面 积降至约 10 μm2，，，1/4、、1/2 地位处进一步减小且更接 近，，，批注随着轧制的进行，，，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 隙面积均在 5 μm2以内且差距极小，，，批注大变形量轧 制后，，，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。。 轧制之前包套的厚度为 3 mm，，，经轧制后，，，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，，，在轧制过程中，，，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《钛及钛合金板材》，，，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，，，分歧厚度轧制钛板的强度均切合国度尺度要 求，，，而除 4 mm 厚轧板以外，，，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 不均匀减小。。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，，，产生小应变，，，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小所引起的承载能力降落时，，，颈缩区域的截面积不再减小，，，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小，，，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，，，板宽中部仍有小领域的裂纹区，，，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，，，晶粒尺寸减小，，，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 细小扯破区。。断口上大量大而浅的韧窝是在外力作用 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，，，在外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小而浅。。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，，，韧窝的深度和巨细较 25 mm 厚轧板有显著提高，，，且 无部门细小扯破区。。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 的短流程制备。。但若何提高海绵钛直接轧制板材的成 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) 用海绵钛直接轧制板材时，，，随着压下量的增长，，，轧制板材的硬度、、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；；孔隙面积减小，，，4 mm厚轧板分歧地位孔洞面积根基一样；；包套厚度减小，，，4 mm 厚轧板部门区域包套与压块界面起头融合；；晶粒尺寸变小，，，内部缺点逐步削减。。 

(3) 海绵钛直接轧制板材工艺可行，，，能短流程制备钛板。。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：：海绵钛直接轧制板材的组织机能分析）