寶雞鈦業(yè)股份有限公司 張智鑫 龐 洪 陳海濤 王紅武

TC4鈦合金屬于α+β兩相鈦合金，與其他兩相鈦合金一樣具有較高的比強(qiáng)度和熱強(qiáng)性，較好的綜合力學(xué)性能和耐蝕性，以及良好的生物相容性，在航空航天航海領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。TC4鈦合金在室溫下塑性較低、變形困難，其應(yīng)用曾一度受到限制。研究表明，超塑用TC4鈦合金在溫度范圍為850～950℃，應(yīng)變速率范圍為10-4～10-2/s-1時(shí)，呈現(xiàn)良好的超塑性[1]。利用材料的超塑性可以成形在常溫條件下無(wú)法成形的零件，即超塑成形。但批量生產(chǎn)的超塑用TC4鈦合金板材顯微組織中往往存在高應(yīng)力組織、畸變組織、拉長(zhǎng)組織或大塊組織等組織缺陷，這些缺陷不僅會(huì)降低結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度、塑性和疲勞強(qiáng)度等性能，還會(huì)嚴(yán)重影響TC4板材的超塑成形[2]。因此，研究TC4鈦合金板材的退火工藝，優(yōu)化退火態(tài)組織，對(duì)超塑TC4板材的推廣和應(yīng)用有重要意義。

本試驗(yàn)通過(guò)控制冷軋加工率和調(diào)整再結(jié)晶退火制度，對(duì)超塑用TC4板材進(jìn)行晶粒細(xì)化、等軸化、室溫力學(xué)性能優(yōu)化以及超塑性能研究。

2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)用真空自耗電弧爐3次熔煉TC4鈦合金鑄錠，其β轉(zhuǎn)變溫度為985～995℃，具體化學(xué)成分見(jiàn)表1。鑄錠經(jīng)3150t鍛造機(jī)鍛成板坯，板坯經(jīng)1200mm四輥可逆式熱軋軋制并退火后，在1200mm四輥可逆式冷軋機(jī)進(jìn)行18%和30%不同冷軋加工率加工，成品退火后測(cè)試其性能優(yōu)化工藝，并測(cè)試優(yōu)化后TC4板材的超塑性能。

表1 TC4合金錠的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

材料顯微組織在Axiovert200MAT光學(xué)顯微鏡下觀測(cè)，力學(xué)性能在Instron5885拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試。

3 結(jié)果討論

3.1 兩種冷軋加工率TC4板材組織對(duì)比

經(jīng)18%和30%不同冷軋加工率軋制成板材，分別觀察硬態(tài)組織和820℃保溫60min退火態(tài)組織，如圖1、2所示。

從圖1可以看出增加冷軋加工率至30%，板材微觀組織拉長(zhǎng)破碎明顯（見(jiàn)圖1（b）），這種組織形變儲(chǔ)能大，畸變組織多，有利于再結(jié)晶形核，退火后易得到細(xì)小均勻組織。圖2為兩種冷軋加工率板材相應(yīng)的再結(jié)晶退火組織，平均晶粒尺寸分別為4.7μm和3.3μm。從形貌上看，兩者均由α相和β基體組成圖，其中圖2（b）α晶粒更加細(xì)小、均勻。

圖1 不同冷軋加工率TC4板材的硬態(tài)顯微組織Fig.1 Microstructures of cold rolling plates with different deformation

圖2 不同冷軋加工率TC4板材820℃保溫60min退火顯微組織Fig.2 Microstructures of plates annealed at 820℃ for 60min with different cold rolling deformation

綜上，說(shuō)明增加冷軋加工率至30%，有利于得到細(xì)小均勻的再結(jié)晶組織。而細(xì)小、等軸和穩(wěn)定的組織有利于提高材料的超塑性，晶粒尺寸對(duì)超塑性影響很大[3]。

3.2 不同退火工藝TC4板材組織和性能優(yōu)化

選擇經(jīng)30%大加工率軋制TC4板材進(jìn)行退火試驗(yàn)。本試驗(yàn)以20℃為間隔，820～940℃保溫60min退火，觀察各退火制度下顯微組織和晶粒尺寸，如圖3所示。

從圖3（a）～（g）可以看出，在相同退火時(shí)間下，隨著溫度的升高TC4板材的組織逐漸均勻化、等軸化，拉長(zhǎng)畸變組織逐漸減少，晶粒尺寸從3.3μm逐漸增大至6.2μm，但保持在超塑成形所需的晶粒尺寸（≤10μm）范圍內(nèi)[4]，如圖3（h）。從相組成上看，隨著溫度升高，β相逐漸增多，α相逐漸減少，次生α相逐漸形成。820℃退火時(shí)β相彌散分布，尺寸較小；940℃退火時(shí)β相增多，α相減少，次生片狀α相明顯增多，初生α晶粒等軸化程度提高。

圖3 經(jīng)不同溫度退火保溫60min的TC4板材的縱向顯微組織Fig.3 Longitudinal-direction microstructures of TC4 plates annealed at different temperatures for 60min

為了獲得良好的超塑性，綜合考慮晶粒尺寸和組織均勻性，得出840～880℃退火組織均勻性好，無(wú)殘余冷加工畸變組織，晶粒尺寸為4.1～5.3μm，晶粒尺寸較小。這主要是因?yàn)槌茏冃尾煌谝话憬饘偎苄宰冃危?nèi)滑移、孿晶等塑性變形機(jī)制對(duì)總變形量貢獻(xiàn)很小，而主要變形方式是晶界行為，所以數(shù)量多而短的晶粒邊界和平坦的界面有利于變形流動(dòng)，減小組織內(nèi)部剪切阻力[5]。

圖4為不同溫度保溫60min退火后TC4板材的室溫力學(xué)性能。退火溫度在820～860℃范圍時(shí)，強(qiáng)度逐漸減小但變化不大，延伸率略有提高，主要是因?yàn)闇囟壬呤功两M織均勻化、等軸化，α晶粒尺寸逐漸增大，細(xì)晶強(qiáng)化減弱，強(qiáng)度下降。當(dāng)退火溫度升至880℃時(shí)，強(qiáng)度迅速增加，延伸率迅速降低，主要是因?yàn)榇紊猎龆?，片層α厚度和有序度增加，?dǎo)致材料強(qiáng)度提高塑性下降[6]。當(dāng)退火溫度達(dá)到900℃時(shí)材料發(fā)生脆性斷裂，這主要是因?yàn)楦邷赝嘶鹗功孪嗾贾鲗?dǎo)，空冷后室溫非平衡組織增多，材料脆化。

3.3 TC4板材超塑性

通過(guò)對(duì)超塑TC4板材進(jìn)行冷軋加工率和組織優(yōu)化，選擇工藝優(yōu)化后的板材（26.3%冷變形+860℃/60min退火）進(jìn)行超塑性能測(cè)試，試驗(yàn)條件為： 870℃，應(yīng)變速率ε=2.4×10-3/s。

圖4 TC4板材的力學(xué)性能與退火溫度的關(guān)系曲線Fig.4 Dependence of TC4 mechanical property on annealing temperature

表2 TC4板材的超塑性能

4 結(jié)論

（1）增加冷軋加工率，經(jīng)840～880℃退火，有利于超塑用TC4板材得到均勻、無(wú)畸變、細(xì)小的再結(jié)晶組織，晶粒尺寸為4.1～5.3μm。（2）在820～860℃保溫1h熱處理，超塑用TC4板材的室溫良好，強(qiáng)度為1065～1048MPa，延伸率為17%～18.5%。（3）大冷軋加工率和中高溫?zé)崽幚砗?，超塑TC4板材在870℃，應(yīng)變速率為2.4×10-3/s時(shí)，延伸率可達(dá)到894%。

[1] 李瑞婷，郭偉，朱穎．TC4鈦合金超塑成形研究現(xiàn)狀及其發(fā)展展望.航空制造技術(shù)，2012 (15)：91-93．

[2] 王敏，郭鴻鎮(zhèn)．TC4鈦合金晶粒細(xì)化及超塑性研究.塑性工程學(xué)報(bào)，2008，15(4)：155-159．

[3] Suh S D， Zong Y Y， Shan D B．Hot deformation behavior and microstructure evolution of TC4 titanium alloy. Tansactions of Nonferrous Metals Society of China，2010(20)：2181-2184．

[4] 朱桂雙，宗影影，單德彬．晶粒尺寸對(duì)TC4鈦合金高溫變形行為的影響//第三屆國(guó)際塑性加工先進(jìn)及時(shí)研討會(huì)論文集.南昌：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)塑性工程學(xué)會(huì), 2007．

[5] 吳詩(shī)惇．金屬超塑性變形理論.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1997：37-39．

[6] 薛強(qiáng)，彭雯雯，曾衛(wèi)東．α形態(tài)與含量對(duì)TA15鈦合金力學(xué)性能的影響.鈦工業(yè)進(jìn)展，2015，32(2)：14-15．