王國(guó)迪，景 然,2，張曼雪，馮 甜，余國(guó)慶，解念鎖,2

(1.陜西理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 漢中 723001；2.陜西理工大學(xué) 礦渣綜合利用環(huán)保技術(shù)國(guó)家與地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 漢中 723001)

隨著航空裝備的發(fā)展與研究，由于鈦及鈦合金具有抗腐蝕、密度小、抗裂紋擴(kuò)展能力等優(yōu)異的綜合性能，及其結(jié)構(gòu)的輕量化，在航空航天、汽車、新能源、生物醫(yī)用等領(lǐng)域具有極好的應(yīng)用前景[1-7]。在所有Ti合金中，TC4合金相較于純Ti具有更加優(yōu)異及理想的力學(xué)性能，因此被廣泛應(yīng)用，當(dāng)前TC4合金的使用量占全部鈦合金的50%以上。Ti合金分為α、α+β和β型3類鈦合金，而TC4合金屬于典型的α+β型鈦合金，其中Al、V元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為6%、4%，其綜合性能主要是由微觀組織所決定的。而TC4合金的相結(jié)構(gòu)(α相、β相、α′相、α″相以及ω相)與微觀組織形貌(等軸組織、雙態(tài)組織、網(wǎng)籃組織和魏氏體組織)隨著變形工藝和熱處理制度的改變而改變[8-12]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)TC4合金的研究主要集中在固溶時(shí)效熱處理以及熱變形。本文對(duì)TC4合金在高溫單相區(qū)進(jìn)行固溶處理，隨后通過冷軋軋制到不同變形量，最終在相同條件下進(jìn)行再結(jié)晶退火，研究不同冷軋變形量以及再結(jié)晶退火對(duì)材料相結(jié)構(gòu)和微觀組織形貌的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所用原材料為100 mm×20 mm×3 mm的TC4合金，其化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為5.98Al、3.88V，Ti余量。將原材料放入真空非自耗管式電爐中，充入保護(hù)性氣體氬氣，對(duì)合金進(jìn)行熱處理，試驗(yàn)設(shè)定固溶溫度為1030 ℃，加熱速度為10 ℃/min，保溫30 min后進(jìn)行水冷；而后采用YS-100型試驗(yàn)雙輥軋機(jī)進(jìn)行同等變形量多道次冷軋，單次變形量為0.2 mm，軋制變形量分別為35%、48%和65%，具體熱處理工藝如表1所示。隨后將不同軋制變形量的試樣放入箱式電爐中進(jìn)行800 ℃再結(jié)晶退火處理，保溫120 min后隨爐冷卻至室溫。采用XRD對(duì)軋制態(tài)及再結(jié)晶退火后的合金進(jìn)行相組成分析，通過EPIPHOT 300U型倒置光學(xué)顯微鏡分析不同熱處理工藝下合金的顯微組織，采用CMT5105型微型控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)合金試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，通過FEM-7000型自動(dòng)顯微硬度計(jì)在試樣表面測(cè)試10個(gè)點(diǎn)后取其平均硬度值，加載砝碼為200 g最后通過掃描電鏡對(duì)拉伸后斷口形貌進(jìn)行分析，拉伸試樣尺寸如圖1所示。

表1 TC4合金的熱處理工藝

圖1 拉伸試樣形狀與尺寸示意圖

2 結(jié)果與分析

圖2是TC4合金經(jīng)1030 ℃固溶和不同變形量冷軋后的XRD圖譜。由圖2中S1可知，在β單相區(qū)進(jìn)行固溶時(shí)，此時(shí)的固溶溫度較高，固溶完成后水冷進(jìn)行快速冷卻，在這一過程中β相轉(zhuǎn)變成了六方α′馬氏體相。由圖2中S2、S3及S4可知，α′相的(002)晶面(2θ=38.5°)衍射峰強(qiáng)度隨冷變形量的增大而減小，由于α′相屬于硬質(zhì)相，其相對(duì)含量的降低造成了不同冷軋變形量合金最大抗拉強(qiáng)度的下降。冷軋變形量為48%的合金中，在β相的(200)晶面處(2θ=56°)出現(xiàn)了明顯的衍射峰，表明其相較于其它兩個(gè)冷軋變形量的合金具有更高的β相含量。

圖2 TC4合金經(jīng)1030 ℃固溶和不同變形量冷軋后的XRD圖譜

圖3為不同冷軋變形量TC4合金經(jīng)800 ℃×120 min再結(jié)晶后的XRD圖譜。不同冷軋變形量的合金經(jīng)過再結(jié)晶處理后，隨著冷軋變形量的增加，其β相的(110)晶面(2θ=38.5°)衍射峰逐漸降低，表明合金中β相含量逐漸降低。再結(jié)晶退火使得合金中部分β相轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?，變形量越大，合金?nèi)部的內(nèi)應(yīng)力就越大，為β→α 相的轉(zhuǎn)變提供了更大的驅(qū)動(dòng)力。

圖3 不同冷變形量的TC4合金經(jīng)800 ℃×120 min再結(jié)晶后的XRD圖譜

圖4為TC4合金經(jīng)1030 ℃固溶和35%、48%和65%不同冷軋變形量后的顯微組織。由圖4(a)可知，由于固溶溫度在β單相區(qū)內(nèi)并且冷卻速度較快，使得高溫β相來不及析出，所以TC4合金經(jīng)1030 ℃固溶后由細(xì)針狀α′以及少量殘留下來的β相組成，且部分馬氏體組織呈網(wǎng)籃狀。經(jīng)冷軋后，晶界破碎形成纖維組織。由圖4(b)可知，冷軋變形量為35%時(shí)，晶粒已經(jīng)發(fā)生了沿軋制方向的伸長(zhǎng)，并且出現(xiàn)了部分程度的纖維組織。在圖4(c)中，冷軋變形量為48%時(shí)，晶粒被進(jìn)一步的細(xì)化并且出現(xiàn)了大量的纖維組織，同時(shí)纖維組織被拉長(zhǎng)并且出現(xiàn)破碎。在圖4(d)中，冷軋變形量為63%時(shí)，可以觀察到與原本位向不同的晶粒出現(xiàn)。

圖4 TC4合金經(jīng)1030 ℃固溶和不同變形量冷軋后的顯微組織

圖5是35%、48%和65% 3種不同冷軋變形量的TC4合金經(jīng)800 ℃×120 min再結(jié)晶后的顯微組織?？梢园l(fā)現(xiàn)不同變形量試樣在相同的再結(jié)晶工藝下呈現(xiàn)出不同程度的再結(jié)晶。從圖5可以看出，變形量越小，組織中軋制痕跡越明顯，并且觀測(cè)到不同變形量中，等軸組織形成的多少也有差異，在圖5(c)變形量為63%的試樣中，等軸組織明顯多于圖5(a，b)，且等軸組織的尺寸明顯更加均勻。造成這一現(xiàn)象的原因是變形量越大的試樣，其晶粒內(nèi)部?jī)?chǔ)能越大，越大的能量使得試樣在隨后的再結(jié)晶過程中更加容易完成回復(fù)。同時(shí)在圖5中可以發(fā)現(xiàn)有部分再結(jié)晶新晶粒存在方向性的排列，這是由于部分晶粒在冷軋過程中沿外力方向產(chǎn)生了較大的變形。

圖5 不同冷軋變形量的TC4合金經(jīng)800 ℃×120 min再結(jié)晶后的顯微組織

圖6是不同熱處理工藝后TC4合金的斷口形貌。在圖6(a)中可以觀察到，固溶處理后TC4合金斷口處出現(xiàn)了部分規(guī)則排列、深度較深且較大的韌窩，同時(shí)存在有少部分零散分布的小韌窩，因此在隨后的力學(xué)性能測(cè)試中也呈現(xiàn)了較好的塑性。對(duì)比不同變形量的斷口形貌(圖6(b～d))可知，在變形量為35%(圖6(b))和48%(圖6(c))時(shí)，斷口呈現(xiàn)出較為相似的、排列整齊的脈絡(luò)狀花紋，同時(shí)出現(xiàn)了少部分較小且分布集中的韌窩，并且在韌窩中發(fā)現(xiàn)了少量的第二相顆粒。而在變形量為65%(圖6(d))時(shí)，可以觀察出在斷裂面上出現(xiàn)了河流狀的花紋，其為解理斷裂的重要特征，韌窩小且分布數(shù)量少。對(duì)比再結(jié)晶后的斷口形貌(圖6(e～g))可知，圖6(e)35%變形量和圖6(f)48%變形量的合金斷口中并無第二相顆粒，同時(shí)發(fā)現(xiàn)圖6(g)65%變形量中的斷口處只有極少量小且淺的韌窩，出現(xiàn)了極為明顯的撕裂棱。對(duì)比再結(jié)晶前后的斷口形貌可以發(fā)現(xiàn)，圖6(b，e)、圖6(c，f)中韌窩大小和深淺差異不大，這與力學(xué)性能測(cè)試中塑性偏低相符合。在圖6(d)中，出現(xiàn)了裂紋以及微小孔洞，過大冷軋變形量使得合金內(nèi)部產(chǎn)生缺陷。

圖6 不同熱處理工藝后TC4合金的拉伸斷口形貌

為了研究800 ℃下保溫2 h后隨爐冷卻再結(jié)晶工藝對(duì)不同冷軋變形量試樣的再結(jié)晶程度，以及不同熱處理工藝下微觀組織形貌和相組成對(duì)其綜合力學(xué)性能的影響，本研究進(jìn)行了室溫拉伸試驗(yàn)以及硬度測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示。其中橫坐標(biāo)代表不同的熱處理工藝，左側(cè)縱坐標(biāo)軸為硬度、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的坐標(biāo)，右側(cè)縱坐標(biāo)軸為伸長(zhǎng)率的坐標(biāo)。

圖7 不同熱處理工藝后TC4合金的力學(xué)性能

由圖7可知，不同冷軋變形量對(duì)于TC4合金的室溫拉伸性能影響顯著。固溶處理后水冷的試樣(S1)，盡管塑性較好，但是硬度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都較低。而經(jīng)過冷軋變形后，在變形量為35%時(shí)(S2)，TC4合金的最大抗拉強(qiáng)度為1378 MPa，顯微硬度為402 HV0.2；變形量為48%時(shí)(S3)，抗拉強(qiáng)度為1155 MPa，顯微硬度為445 HV0.2，造成這種結(jié)果的原因主要在于加工硬化，同時(shí)與α相相比，α′馬氏體相擁有了更多的固溶元素，從而使得晶格畸變現(xiàn)象變得更加嚴(yán)重，因此造成硬度和強(qiáng)度的增加[13]。同時(shí)由于產(chǎn)生了加工硬化，塑性降低得比較明顯。當(dāng)變形量達(dá)到65%時(shí)(S4)，合金的強(qiáng)度及塑性均下降明顯，硬度較S1略有提高。較大的冷軋變形量會(huì)導(dǎo)致合金內(nèi)部產(chǎn)生細(xì)微缺陷，從而降低了合金的力學(xué)性能。對(duì)比再結(jié)晶前后不同冷軋變形量試樣的力學(xué)性能可以發(fā)現(xiàn)，35%冷軋變形量的合金再結(jié)晶后，硬度以及強(qiáng)度降低，伸長(zhǎng)率升高。45%冷軋變形量的合金再結(jié)晶后，硬度、強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率均發(fā)生下降。65%冷軋變形量的合金再結(jié)晶后，硬度下降，而強(qiáng)度提高。

3 結(jié)論

1)冷軋使得TC4合金產(chǎn)生加工硬化，進(jìn)而提高了合金的強(qiáng)度和硬度，但塑性降低。同時(shí)，隨著冷軋變形量的增大，合金的綜合力學(xué)性能降低。

2)隨著變形量的增大，試樣晶粒內(nèi)部存儲(chǔ)的能量變大，因而在相同的再結(jié)晶條件下，變形量越大的試樣，再結(jié)晶時(shí)晶粒內(nèi)部所提供的能量就越大，再結(jié)晶程度就更加完全。

3)經(jīng)過1030 ℃固溶和48%冷軋變形處理后，TC4合金獲得了最佳力學(xué)性能，顯微硬度為445 HV0.2、最大抗拉強(qiáng)度為1155 MPa、屈服強(qiáng)度為754 MPa及伸長(zhǎng)率為4.2%。