鈦合金是一種輕質(zhì)、高強度、耐腐蝕的結(jié)構(gòu)材料，具有比強度高、變形溫度區(qū)間窄、耐蝕性強、生物相容性好、無毒無磁等特點，因而被廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋工程、化工石油、醫(yī)療核電等領(lǐng)域[1-2]。鈦合金具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變這一典型特征，化學(xué)成分、塑性變形工藝及熱處理方式對其微觀組織和力學(xué)性能具有顯著影響[3]。目前，國內(nèi)外學(xué)者在鈦合金產(chǎn)品成形制造與性能調(diào)控等方面進行了大量研究。朱寶輝等[4]研究固溶時效工藝對Ti-6Al-6V-2Sn鈦合金棒材組織及性能的影響，優(yōu)化固溶時效工藝。張晨輝等[5]對比研究了加熱溫度和冷卻方式對TA15、TC12和TA31等鈦合金組織和力學(xué)性能的影響，探究初生α相數(shù)量對鈦合金抗拉強度、高溫持久強度及沖擊韌度等性能的調(diào)控機理。Ａｒａｂ等[6]研究顯微組織與力學(xué)性能的關(guān)系，表明馬氏體結(jié)構(gòu)水淬試樣具有較高硬度，雙態(tài)顯微組織具有良好塑性變形和強度。Ｓａｄｅｇｈｐoｕｒ等[7]研制出一種新型β鈦合金Ti-4Al-7Mo-3Cr-3V（Ti-4733），研究表明細(xì)小針狀α沉淀的顯微組織表現(xiàn)出更高的拉伸強度。

鈦合金產(chǎn)品成形制造與性能調(diào)控相關(guān)研究已經(jīng)取得階段性成果，然而，鈦合金不能像鋼那樣利用同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變進行重結(jié)晶實現(xiàn)奧氏體晶粒細(xì)化，需通過塑性變形實現(xiàn)晶粒細(xì)化[8-10]，目前仍存在高溫變形難、控軋控冷技術(shù)不成熟和晶粒細(xì)化困難等關(guān)鍵技術(shù)難題。因此，探究產(chǎn)品宏觀塑性變形的遺傳影響對產(chǎn)品組織性能調(diào)控意義重大。本文基于不同軋制技術(shù)獲得的TC4鈦合金棒材熱軋坯料，對比分析不同熱處理條件下合金組織演變特征、晶粒尺寸變化規(guī)律及力學(xué)性能，進一步揭示宏觀塑性變形、退火熱處理對合金微觀組織演變和力學(xué)性能的影響機理，為該類合金棒材熱軋、熱處理工藝參數(shù)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

1、試驗材料與方法

試驗材料有兩種：TC4二輥軋坯，尺寸規(guī)格：?15ｍｍ×10ｍｍ；TC4三輥軋坯，尺寸規(guī)格：?12ｍｍ×10ｍｍ。合金化學(xué)成分如表1所示。TC4鈦合金為典型α＋β型合金，如圖1（ａ）、1（ｂ）所示為二輥、三輥軋坯微觀形貌，均呈現(xiàn)等量分布、細(xì)小均勻的α相和β相，且三輥軋坯的等軸形貌更加顯著。這主要歸因于三輥軋制塑性變形量大、軋制機架緊湊、溫降慢，棒材表面晶粒變形完全，動態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)達到飽和，且晶界位錯由均勻分布狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅畏植紶顟B(tài)，促使初始條形晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶粒[10-14]，細(xì)小等軸狀組織更明顯。

為進一步探究退火溫度、冷卻速率以及形變工藝對鈦合金顯微組織演變和力學(xué)性能的影響，制定不同熱處理工藝，如表2所示。在ＣＸ200Ｅ型光學(xué)顯微鏡（ＯＭ）、ＳＥＭ3000Ｓ型掃描電鏡（ＳＥＭ）下觀察TC4鈦合金顯微組織演變特征，腐蝕液為鈦合金β轉(zhuǎn)變點專用腐蝕劑Ｋｒoｌｌ腐蝕劑[15-16]：3％ＨＦ＋6％ＨＮＯ₃＋91％Ｈ₂Ｏ；利用ＩｍａｇｅＪ圖像分析計算顯微組織晶粒平均尺寸與面積占比，探究晶粒尺寸的變化特征；在ＷＤＷ-200型微機控制電子萬能材料試驗機上進行拉伸試驗，獲得試樣強度（抗拉強度、屈服強度）和塑性指標(biāo)（伸長率、斷面收縮率）；并在ＨＸ-1000ＴＭ／ＬＣＤ型顯微硬度儀上進行硬度試驗，加載載荷為1Ｎ，加載時間為10ｓ，取5次測量的平均值，獲得試樣維氏硬度。

2、結(jié)果與討論

2.1退火溫度對顯微組織、晶粒尺寸的影響

基于二輥軋態(tài)TC4鈦合金，制定5種不同退火溫度，隨爐加熱至850、900、950、1000和1050℃，對應(yīng)試樣1～5。坯料經(jīng)850和900℃退火處理后，如圖2（ａ）、2（ｂ）所示，α相晶粒尺寸增大，且呈橢圓狀，整體形態(tài)符合等軸組織特點，包括等軸初生α相和β轉(zhuǎn)變相；同時觀察α相晶粒相關(guān)數(shù)據(jù)，如圖2（ｆ）所示，在此溫度區(qū)間，隨著退火溫度升高，α相面積占比大幅增長，說明β組織中轉(zhuǎn)變出較多α相。經(jīng)950℃退火處理后，如圖2（ｃ）所示，組織包括等軸初生α相、針狀α相和β轉(zhuǎn)變相的典型雙態(tài)組織，雙態(tài)組織具有較好拉伸性能、較高斷裂韌性和較低疲勞裂紋擴展速率[17-19]；同時α相晶粒平均尺寸幾乎沒有變化，而面積占比減少。經(jīng)1000和1050℃退火處理后，如圖2（ｄ）、2（ｅ）所示，在原始β晶界上呈α束域，β相分布在α相片間，呈現(xiàn)魏氏組織特征。魏氏組織與雙態(tài)組織相比較，塑性較低；在此溫度區(qū)間，隨著退火溫度升高，α相晶粒平均尺寸增長較快，面積占比幾乎沒有變化，說明在TC4相轉(zhuǎn)變點后，隨著退火溫度升高，α相晶粒尺寸會急劇增大。

2.2形變工藝和冷卻速率對顯微組織、晶粒尺寸的影響

基于二輥軋態(tài)和三輥軋態(tài)TC4鈦合金，研究950℃保溫溫度下，不同形變工藝（二輥連軋、三輥連軋）、冷卻速率（水冷、空冷和爐冷）對合金顯微組織和晶粒尺寸的影響。二輥軋態(tài)合金對應(yīng)試樣6、3和7，三輥軋態(tài)合金對應(yīng)試樣13～15。

對于二輥軋坯，水冷處理后，如圖3（ａ）所示，冷卻速度快，β相析出來不及進行，但會發(fā)生晶格結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，析出與原始β相成分相同、晶格結(jié)構(gòu)不同的馬氏體相，組織呈現(xiàn)等軸α相、馬氏體α′、α″基體和轉(zhuǎn)變β相的混合組織。空冷處理后，如圖3（ｂ）所示，組織包括等軸初生α相和β轉(zhuǎn)變相中析出的針狀α相。爐冷處理后，如圖3（ｃ）所示，α相會沿著相轉(zhuǎn)變線析出，α相析出會較為完全，β相聚集在α相間，顯微組織包括等軸α相和等軸α相間β相。

對于三輥軋坯，不同冷卻速率處理后試樣顯微組織如圖3（ｄ）、3（ｅ）和3（ｆ）所示，與同一冷卻方式的二輥軋坯的相組成基本一致。值得注意的是，三輥軋坯熱處理后，等軸α相、馬氏體α′、α″基體以及針狀α相晶粒尺寸更加細(xì)小。同時觀察圖4，三輥熱軋態(tài)合金α相面積占比和平均尺寸均低于二輥熱軋態(tài)合金。這主要歸因于三輥熱軋能夠在短時間內(nèi)實現(xiàn)大塑性變形，迫使晶粒細(xì)化[20-22]。同時研究表明[23-25]，α相晶粒能夠有效阻礙等軸α相與跨軸β相界面上形成的拉伸變形空洞的生長，且初生α相晶粒尺寸越小，空洞在擴展過程中遇到的阻擋層越多，促使合金獲得較高拉伸延性和屈強比。

2.3退火及時效對合金顯微組織、晶粒尺寸的影響

圖5為退火及時效處理后試樣10、11、12和16的顯微組織，圖5中的右上角插圖為僅進行退火水冷處理試樣8、9、6和13的顯微組織。如圖5插圖所示，二輥、三輥軋坯經(jīng)退火水冷處理后的顯微組織均包括初生等軸α相、馬氏體α′、α″相和亞穩(wěn)定β相。為進一步把握亞穩(wěn)定相含量變化情況，對試樣進行Ｘ射線衍射（ＸＲＤ）分析，如圖6（ａ）所示，不同變形工藝和退火溫度下TC4棒材組織中均有馬氏體α′、α″相；尤其當(dāng)退火溫度為950℃時，三輥軋坯合金中的α′、α″相更多。

相關(guān)研究資料表明[26-30]，退火溫度越接近相轉(zhuǎn)變溫度、塑性變形量越大，越有利于亞穩(wěn)定相析出；且退火得到的馬氏體α′、α″相、亞穩(wěn)定β相在隨后時效過程中，容易分解為彌散的α相或β相，實現(xiàn)合金強化。由圖5還可以看出，時效處理后，試樣10和16為等軸α相和含α相的β轉(zhuǎn)變基體；試樣11和12為等軸初生α相、含針狀α相的β轉(zhuǎn)變基體。進一步觀察圖6（ｂ）中數(shù)據(jù)變化特征，三輥軋坯經(jīng)退火及時效（試樣16，950℃×60ｍｉｎ，ＷＱ＋540℃×360ｍｉｎ，ＡＣ）處理后，α相晶粒平均尺寸為33.162μｍ，較同等條件處理二輥軋坯（試樣12）降低18.28％；α相晶粒尺寸的大幅減小有利于合金力學(xué)性能提高和機械零件受載。

2.4形變工藝、熱處理工藝對力學(xué)性能的影響

選取試樣1、2、9、11和17進行力學(xué)性能檢測，結(jié)果如圖7所示。對比試樣1、2和9，相同變形工藝TC4棒材進行退火熱處理，隨著退火溫度升高、冷卻速率加快，合金的強度、硬度均增加，塑性降低。對比試樣9和11，退火及時效處理后，合金的強度降低，但塑性、硬度均增加。對比試樣11和17，不同變形工藝TC4棒材采用相同熱處理方式，三輥熱軋態(tài)合金具有更高強度（Ｒｅｌ＝1045ＭＰａ，Ｒｍ＝1082ＭＰａ）、塑性（Ａ＝14.2％，Ｚ＝41.2％）及硬度（583.04ＨV），屈強比高達0.966。

3、結(jié)論

1）熱處理工藝對TC4鈦合金顯微組織和力學(xué)性能具有顯著的影響，軋坯經(jīng)950℃退火處理后即可獲得典型雙態(tài)組織，雙態(tài)組織具有較好的拉伸性能、較高的斷裂韌性和較低的疲勞裂紋擴展速率，隨著退火溫度升高、冷卻速率加快，TC4鈦合金強度增加，硬度增加，塑性降低；

2）基于不同形變工藝的鈦合金熱處理研究發(fā)現(xiàn)，三輥軋坯塑性變形量越大，越有利于亞穩(wěn)定相析出，退火后α′、α″相明顯增多，促進時效過程中產(chǎn)生更多的亞穩(wěn)定相分解，并有利于彌散強化；且α相晶粒尺寸顯著減小，空洞在擴展過程中遇到阻擋層越多，獲得較高拉伸延性；

3）從TC4鈦合金棒的實際應(yīng)用角度考慮，三輥軋坯經(jīng)退火及時效處理后屈強比可達0.966，遠(yuǎn)高于普通軋制的屈強比，屈強比越大，從節(jié)約材料，減輕重量方面考慮，更有利于機械零件受載。

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