龍 瑋，夏麒帆，張 松，梁益龍，歐梅桂

(1.貴州大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，貴州 貴陽 550025 ；2.高性能金屬結(jié)構(gòu)材料與制造技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，貴州 貴陽 550025)

TC4鈦合金是一種中等強度的(α+β)型鈦合金，其綜合性能優(yōu)良，塑性和沖擊韌性高，常作為重要零部件應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域[1-3]。鈦合金絲材具有耐腐蝕、比強度高、無磁性的優(yōu)點，綜合性能遠遠優(yōu)于不銹鋼和鋁合金等其他金屬材料，被廣泛應(yīng)用于航空噴氣發(fā)動機渦輪盤和葉片的補焊、機匣的焊接、化工領(lǐng)域內(nèi)的過濾網(wǎng)、醫(yī)療領(lǐng)域中植入人體的牙冠固定、顱骨固定、及各種緊固件、承力構(gòu)件、彈簧等[4]。由于鈦合金加工性能較差，實際生產(chǎn)中需要在高溫下成形，鈦合金絲的成型多采用熱拉拔工藝，為優(yōu)化工藝設(shè)計，需要通過實驗來了解不同變形條件下材料的變形行為。

TC4鈦合金在經(jīng)過熱變形后，需要進行適當?shù)臒崽幚硪垣@得更好的組織和性能。鈦合金主要的熱處理方式包括退火、固溶和時效等，其中退火處理的主要目的是使零件加工后的殘余應(yīng)力減小乃至消除，并穩(wěn)定組織和性能[5-6]。在TC4鈦合金絲熱拉拔的過程中，隨著變形量的增加，材料內(nèi)部會有殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，對后續(xù)的拉拔生產(chǎn)有不利的影響，而且高溫變形時材料的微觀組織將發(fā)生明顯的變化[7]，例如動態(tài)、靜態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶及晶粒長大等，這些變化會影響材料的宏觀力學(xué)行為。為了降低加工硬化效果，提高延伸率，使得材料塑性最佳，利于下一階段拉拔工序，需要進行中間退火工藝[8]。

高溫形變可以使材料處于高能量的加工態(tài)，產(chǎn)生穩(wěn)定的點陣扭曲或較高缺陷密度，并在隨后的熱處理過程中加以利用，使材料的強度和塑性的結(jié)合較好，可以為后面的熱處理提供組織基礎(chǔ)。TC4鈦合金中，初生等軸α相對材料的塑性和強度有很大的貢獻[9]，等軸α相晶粒存在，可以起到變形協(xié)調(diào)的作用。所以在實際生產(chǎn)中，應(yīng)當考慮到控制等軸α相的含量，來控制TC4鈦合金的性能。雙重退火熱處理的第一重退火溫度影響初生等軸α相含量，第二重退火溫度影響β相轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的種類[10]，因此，應(yīng)當設(shè)置不同的第一重、第二重退火溫度，來研究不同退火溫度對TC4熱拉伸變形后組織與性能的影響。

本文通過對熱變形后的TC4棒材進行不同退火工藝的研究，探討不同退火工藝對熱變形TC4合金組織及性能的影響，從而為實際生產(chǎn)時合理訂制TC4鈦合金絲熱處理工藝提供理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)。通過此次實驗可以研究一重退火溫度對TC4熱拉伸后顯微組織的影響、二重退火溫度對TC4熱拉伸后顯微組織的影響以及一重退火與二重退火工藝的不同對TC4熱拉伸后顯微組織的影響。

1 實驗材料與方法

實驗原材料所采用TC4合金鍛態(tài)棒料，經(jīng)金相法測得該合金的相變點為 995℃，原材料經(jīng)相變點以上溫度熱處理后得到片層魏氏組織，如圖 1 所示。

圖1 TC4鍛材原始顯微組織Fig.1 Original microstructure of TC4 forging material

雙相鈦合金中的元素大致可分為α穩(wěn)定元素、中性元素以及β穩(wěn)定元素三類。TC4鈦合金中，α穩(wěn)定元素包含了Al、C、B，此類元素能提高(α+β)/β相變點。β穩(wěn)定元素包含了V、Fe、Si、Mo、Ni、Cr，此類元素能降低(α+β)/β相變點。

本實驗中原始材料的化學(xué)成分含量如表1所示：

表1 TC4鈦合金的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of TC4 titanium alloy

試驗中對一重退火溫度與二重退火溫度均選取三個，具體的退火熱處理方案如表2所示：

表2 退火熱處理工藝Tab.2 Annealing heat treatment process

先把試樣加工成棒狀，再使用MTS LANDMARK萬能試驗機(拉伸速率為1 mm/min)進行熱拉伸處理，拉伸變形溫度為900℃，變形速率為1 mm/s，變形量為6%，達到預(yù)定變形量后即終止。用線切割機根據(jù)試樣尺寸切取小試樣，鑲嵌后從80～1000#砂紙精磨后拋光至鏡面，隨后在HF+HNO3+H2O (體積比為 1∶2∶5)的混合溶液中腐蝕，超聲清洗后使用光學(xué)顯微鏡對組織進行觀察。

2 實驗結(jié)果與分析

圖2是TC4合金在進行900 ℃熱拉伸變形后，通過光學(xué)顯微鏡分別進行低倍和高倍觀察的組織圖。

從圖2中可以觀察到變形后的TC4合金組織主要由長條狀初生α相，層片狀次生α相以及少量β相組成。與原樣的魏氏組織(圖1)相比，α相沿拉伸方向變扁，拉長，由于處于再結(jié)晶溫度附近，長條狀初生α相除了沿拉伸方向拉長或彎曲之外，還發(fā)生了一定程度的動態(tài)再結(jié)晶，但并不明顯，有少量等軸α組織出現(xiàn)。

熱拉伸變形后材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，為了可以降低加工硬化的影響，使材料的性能得到更好的匹配，故對變形后的材料進行退火熱處理，從而達到消除應(yīng)力的目的。圖3是雙重退火工藝對熱變形后TC4合金的顯微組織圖。

圖2 900℃熱變形后的TC4合金顯微組織：(a) 500倍；(b) 1000倍Fig.2 Microstructure of TC4 alloy after hot deformation at 900°C: (a)500 times；(b)1000 times

(a)750℃; (b)750℃+500℃; (c) 800℃; (d) 800℃+500℃; (e) 850℃; (f) 850℃+500℃圖3 不同退火工藝對熱變形后TC4合金顯微組織的影響Fig.3 Effect of different annealing processes on the microstructure of TC4 alloy after hot deformation

圖3(a)、(c)、(e)是只經(jīng)過不同溫度一重退火后的組織圖，如圖所示，經(jīng)過熱拉伸后拉長的組織(圖2)開始變短并長大，但仍有大量變形組織存在。由于TC4合金在變形后有大量的晶格畸變能，故一重退火時次生α條形核數(shù)量也增多，且交錯排列。一重退火熱處理溫度為750℃時，組織尺寸較小，均勻性較差，這可能是由于局部變形不均勻引起的[11-12]。隨著一重退火溫度的升高，片層組織的厚度顯著增大，大小較為均勻(圖3(c)、(e))，低溫退火的組織不均勻性隨溫度的升高而消失。圖3(b)、(d)、(f)是經(jīng)過雙重退火后的組織圖，如圖所示，析出次生α相數(shù)量增多，尺寸增大，殘留的變形組織也轉(zhuǎn)變?yōu)槎檀譅瞀疗瑢覽13]，使組織得到一定程度的等軸化[14]。隨著第一重退火溫度的升高，初生α相尺寸有所增加，并且析出的次生α相數(shù)量增多，尺寸增大，和初生α相連成一片，得到典型的等軸α+晶間β組織。

在保持一重退火溫度(800℃)相同的條件下，研究了不同二重退火溫度對熱變形TC4合金顯微組織的影響。如圖4所示，可觀察到不同二重退火工藝熱處理后的組織均為等軸α+晶間β組織，但是可明顯觀察到隨二重退火溫度的升高，α相尺寸逐漸增大。

(a) 800℃+480℃; (b) 800℃+500℃; (c) 800℃+520℃圖4 不同二重退火溫度后熱變形TC4鈦合金的顯微組織Fig.4 Microstructure of hot deformed TC4 titanium alloy after different double annealing temperatures

鈦合金的組織決定了性能，微觀組織的不同對應(yīng)力學(xué)性能的不同。通過熱處理能夠有效的調(diào)控鈦合金組織形貌，使其獲得組織性能的匹配。表3和表4分別是一重退火溫度和二重退火溫度對熱拉伸變形后的TC4合金力學(xué)性能的影響。

表3 一重退火后變形TC4合金的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of deformed TC4 alloy after one annealing

從表3中可以看出，材料的強度隨著退火溫度的增加，明顯下降且幅度較大。750 ℃退火時，屈服強度與抗拉強度分別達到766 Mpa、770.9 Mpa，而溫度升高到850 ℃時，兩者分別下降到698 Mpa、703.1 Mpa，下降率分別達到了8.88%和8.79%，而斷面收縮率與伸長率明顯增加，兩者的增長率分別達到55.0%和8.62%。結(jié)合圖2(a)、(c)、(e)中顯微組織分析可知，這是由于一重退火溫度較低時，α相組織尺寸較小，均勻性較差，隨著退火溫度的升高，片層α相組織尺寸明顯長大且分布均勻。α片層厚度的增加會使材料的塑性增大[15]，所以隨著一重退火溫度的增加，材料的強度降低而塑性增加。

表4 二重退火后變形TC4合金的力學(xué)性能Tab.4 Mechanical properties of deformed TC4 alloy afterdual-annealing

在一重退火的基礎(chǔ)上，對二重退火熱處理后的力學(xué)性能做了進一步的研究對比。根據(jù)表4可知，750 ℃一重退火時，抗拉強度為770.9 Mpa，伸長率與斷面收縮率分別為5.8%、10.9%，而再經(jīng)500 ℃二重退火后，抗拉強度下降到531 Mpa，伸長率與斷面收縮率分別增加到10.86%、15.69%。當一重退火溫度不同時，結(jié)合表2可知材料經(jīng)二重退火熱處理(500 ℃ × 2 h,AC)后的強度整體比一重退火的低，且強度隨一重退火溫度的升高而降低。伸長率與斷面收縮率整體隨一重退火溫度增加而增加。 800 ℃一重退火時，抗拉強度為721.2 Mpa，伸長率與斷面收縮率分別為12.1%、5.8%，經(jīng)不同二重退火后，材料強度整體也呈現(xiàn)下降趨勢而伸長率與斷面收縮率明顯增加，且分別隨二重溫度增加呈現(xiàn)相同趨勢。結(jié)合圖2和圖3的顯微組織分析可知，二重?zé)崽幚砗蟪跎料喑叽缬兴黾?，并且析出的次生α相?shù)量增多，尺寸增大，和初生α相連成一片，得到典型的等軸α+晶間β組織，殘留的變形組織轉(zhuǎn)變的短粗狀α片使組織得到一定程度的等軸化[16]。所以與一重?zé)崽幚砗蟮男阅芟啾?，二重退火后的材料強度降低，塑性升高?/p>

3 結(jié)論

(1)一重退火溫度為750 ℃時，TC4合金組織內(nèi)部次生α條形核較多，分布較均勻，交錯排列，有等軸化的趨勢。隨著退火溫度的升高，組織尺寸增大，出現(xiàn)再結(jié)晶后的晶粒長大階段，大小較為均勻。

(2)雙重退火后，材料內(nèi)部析出次生α相數(shù)量增多，尺寸增大。隨著一重退火與二重退火溫度的升高，初生α相尺寸有所增加，并且析出的次生α相數(shù)量增多，尺寸增大，和初生α相連成一片，得到典型的等軸α+晶間β組織。

(3)一重退火后，材料的強度隨著退火溫度的增加明顯下降且幅度較大，而塑性增加。二重退火后的性能與一重退火相比，材料的強度整體有所降低，但塑性有很大的提升。