退火溫度對(duì)低成本TC4LCA鈦合金板材組織和性能的影響

王 儉， 馮秋元 ,， 雷 挺， 張永強(qiáng) ,， 王小翔,

(1. 寶鈦集團(tuán)有限公司, 陜西 寶雞 721014; 2. 寶雞鈦業(yè)股份有限公司, 陜西 寶雞 721014)

鈦合金密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕性好，是一種優(yōu)異的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，被譽(yù)為“太空金屬”、“海洋金屬”和“第三金屬”，已在化工、航空、航天等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。TC4(Ti-6Al-4V)鈦合金是由美國于1954年研制成功的Ti-Al-V系α-β型鈦合金，該合金具有優(yōu)異的綜合性能和良好的工藝特性，適合于制造從-196～450 ℃溫度范圍的各種零件[1]。經(jīng)過近70年的發(fā)展，該合金已發(fā)展成為世界上用量最大(其產(chǎn)量占鈦合金總產(chǎn)量的50%以上，在航空航天中超過80%)、用途最廣、應(yīng)用最成熟的鈦合金。通常，航空航天領(lǐng)域出于減重需要，對(duì)鈦合金的成本不太敏感。近年來，隨著兵器領(lǐng)域輕量化、高戰(zhàn)技性能需要，比強(qiáng)度高、耐蝕性好、輕質(zhì)的鈦合金成為替代裝甲鋼等黑色金屬材料的最佳選擇，用于制作坦克、戰(zhàn)車的披掛裝甲、炮塔等，顯著減輕武器裝備質(zhì)量，提高其機(jī)動(dòng)性、可靠性和安全性。然而，與鋼、鐵、銅等金屬材料相比，鈦合金較高的成本成為制約其大量應(yīng)用的瓶頸。隨著武器裝備的升級(jí)換代，不但對(duì)鈦合金的力學(xué)性能提出了更高的要求[2-3]，而且要求其成本要低[4-5]。高性能、低成本鈦合金及鈦合金的低成本化制備成為行業(yè)的關(guān)注焦點(diǎn)和今后的發(fā)展趨勢(shì)[3]。

TC4LCA鈦合金是為滿足兵器領(lǐng)域低成本應(yīng)用需求，在常規(guī)TC4鈦合金化學(xué)成分的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的新型低成本鈦合金，成本較TC4鈦合金降低25%以上。與TC4合金相比，在成分上，TC4LCA合金的主成分Al、V含量不變，對(duì)雜質(zhì)元素Fe和O的含量進(jìn)行了微調(diào)(主要是基于考慮添加返回料需要)；在性能上，TC4LCA合金的強(qiáng)度高30 MPa以上(抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別不小于930和860 MPa，均比GB/T 3621—2007《鈦及鈦合金板材》要求TC4鈦合金的895和830 MPa 要高)，塑性相當(dāng)，沖擊性能(不小于35 J/cm2)比TC4鈦合金(不小于30 J/cm2)要高。要滿足該合金較高的強(qiáng)度和韌性指標(biāo)，一方面，需對(duì)合金中的主元素Al、V的目標(biāo)成分進(jìn)行控制，以此保證合金的高強(qiáng)度；另一方面，需對(duì)合金中的O含量進(jìn)行控制，從而保證合金的高韌性。

通常，降低鈦合金的制造成本主要有以下兩種途徑：一是添加廉價(jià)元素的合金成分設(shè)計(jì)，主要是降低原料成本；二是添加返回料(最高可達(dá)100%)+短流程的低成本化制備，從原料成本和加工成本兩方面綜合降低合金的制造成本[6]。添加返回料后，合金中的氧含量顯著增加。研究表明，隨著氧含量的增加，TC4鈦合金的沖擊性能下降明顯[7]。因此，除對(duì)TC4LCA鈦合金中Al、V及O元素的含量進(jìn)行控制之外，還需通過熱處理對(duì)其顯微組織進(jìn)行微調(diào)，以便使合金既能滿足較高的強(qiáng)度指標(biāo)要求，也能同時(shí)滿足沖擊性能指標(biāo)要求。在工程應(yīng)用中，鈦及鈦合金常采用的熱處理方式有退火、固溶+時(shí)效等。與固溶+時(shí)效相比，退火處理簡便、低耗，是工業(yè)化大生產(chǎn)中常用的熱處理方式。

本研究首先利用添加返回料+短流程的低成本化制備技術(shù)熔煉出成分均勻的TC4LCA鈦合金鑄錠，之后采用軋制技術(shù)制備出不同厚度規(guī)格的合金板材，最后選取典型規(guī)格板材進(jìn)行不同溫度的退火處理。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)選出強(qiáng)度、塑韌性匹配較佳的退火制度，旨在為板材的工程化應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 板材制備

利用TC4LCA鈦合金鑄錠(返回料添加比例為75%)制備厚度約200 mm的板坯，在鑄錠的頭部和尾部進(jìn)行取樣，分析其化學(xué)成分，具體測(cè)試結(jié)果見表1，金相法測(cè)得鑄錠的相變點(diǎn)(Tβ)為991 ℃。將板坯在1200 mm可逆式熱軋機(jī)上，在相變點(diǎn)以下多火次加工，軋制出35、30、25、20、15、12、10、8和6 mm(厚)×600 mm(寬)×900 mm(長)共9個(gè)規(guī)格的TC4LCA鈦合金板材，火次變形量不小于40%，以獲得均勻的兩相區(qū)加工組織。為保證合金板材組織的均勻性[8-9]，軋制過程中采用了換向軋制工藝。

表1 TC4LCA鈦合金鑄錠的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 熱處理試驗(yàn)

選取厚度為30 mm的TC4LCA鈦合金成品板材，在板材上切取拉伸、沖擊、金相試樣進(jìn)行退火處理。分別進(jìn)行780、800、840、880和920 ℃退火，保溫1 h后出爐空冷。

試樣退火處理后，分別進(jìn)行顯微組織觀察和室溫力學(xué)性能測(cè)試。顯微組織觀察在光學(xué)顯微鏡(Axiovert 200 Mat)上進(jìn)行，采用配比為HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶9(體積比)的侵蝕液對(duì)金相試樣進(jìn)行腐蝕。室溫拉伸試驗(yàn)按GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》在CMT5105型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。沖擊性能試驗(yàn)按GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》在NI500C金屬擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣加工成10 mm×10 mm×55 mm的Charpy沖擊試樣，缺口類型為U型。

2 結(jié)果及分析

2.1 退火溫度對(duì)合金顯微組織的影響

圖1是合金的加工態(tài)(R態(tài))組織及經(jīng)不同溫度退火后的顯微組織，其中圖1(a)是加工態(tài)組織。由圖1(a)可見，合金經(jīng)軋制變形后的組織為兩相區(qū)加工組織，主要由長條狀初生α相、少量球狀α相(圖1(a)中白色部分)和β轉(zhuǎn)變組織組成(圖1(a)中灰色部分)。

圖1 TC4LCA鈦合金的加工態(tài)(R態(tài))(a)及不同溫度退火后(b～f)的顯微組織Fig.1 Microstructure of the TC4LCA titanium alloy as-rolled(a) and as-annealed at different temperatures(b-f)(b) 780 ℃； (c) 800 ℃； (d) 840 ℃； (e) 880 ℃； (f) 920 ℃

經(jīng)退火處理后，合金的組織發(fā)生了明顯的變化。當(dāng)退火溫度由780 ℃(見圖1(b))升高至840 ℃(見圖1(d))時(shí)，在畸變能的驅(qū)動(dòng)下，長條狀初生α相發(fā)生球化，逐漸向等軸狀初生α相轉(zhuǎn)變。隨著退火溫度的升高，長條狀初生α相含量減少，而等軸狀初生α相含量逐漸增加。與此同時(shí)，從β轉(zhuǎn)變組織中析出針狀或片狀次生α相，見圖1(d)。當(dāng)退火溫度升高至880 ℃時(shí)，長條狀初生α相含量繼續(xù)減少，等軸化傾向更加明顯；β轉(zhuǎn)變組織中析出的針狀或片狀次生α相數(shù)量逐漸增多，見圖1(e)。當(dāng)退火溫度升高至920 ℃時(shí)，等軸初生α相發(fā)生粗化，同時(shí)針狀或片狀次生α相長大，見圖1(f)。合金顯微組織的這種演變規(guī)律與其力學(xué)性能是密切相關(guān)的[10]。

2.2 退火溫度對(duì)合金力學(xué)性能的影響

圖2為退火溫度對(duì)合金強(qiáng)度和塑性的影響。由圖2 可以看出，隨著退火溫度的升高，合金的斷后伸長率略有下降，但變化幅度不大；合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著退火溫度的升高，從β轉(zhuǎn)變組織中析出細(xì)小的針狀或片狀次生α相，起到析出相強(qiáng)化效果，因此合金的強(qiáng)度升高。楊銳等[11]的研究表明，尺寸較小的次生α片層能夠降低殘留β基體內(nèi)位錯(cuò)滑移長度，有利于提高合金強(qiáng)度，這與本研究的結(jié)果相吻合。隨著退火溫度繼續(xù)升高，等軸初生α相粗化且針狀或片狀次生α相長大，晶粒尺寸增大。根據(jù)霍爾-佩奇(Hall-Petch)公式(式(1))可知，合金的屈服強(qiáng)度與晶粒大小的平方根呈反比關(guān)系。當(dāng)晶粒尺寸增大時(shí)，合金的強(qiáng)度降低。

σs=σ0+kd-1/2

(1)

式中：σs為屈服強(qiáng)度；σ0為單個(gè)位錯(cuò)產(chǎn)生時(shí)的晶格摩擦力；k為常數(shù)；d為平均晶粒尺寸。

圖2 退火溫度對(duì)TC4LCA鈦合金強(qiáng)度和塑性的影響Fig.2 Effect of annealing temperature on strength and plasticity of the TC4LCA titanium alloy

通常，金屬材料的強(qiáng)化主要有形變強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化4種方式。對(duì)于退火處理后的鈦合金而言，其強(qiáng)度的高低主要取決于晶粒的大小以及析出相的多少。金屬材料強(qiáng)化的本質(zhì)是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。晶粒越細(xì)小，相鄰晶粒間的晶界數(shù)越多，位錯(cuò)需克服晶界阻力運(yùn)動(dòng)所消耗的能量也越多。因此，晶粒越小，合金的強(qiáng)度越高。如果合金中析出相越多，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過程中遇到析出相時(shí)，需要繞過或切過析出相，析出相阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，同樣使得合金的強(qiáng)度提高。TC4LCA鈦合金隨退火溫度的升高，其強(qiáng)度先增大后降低的這種變化趨勢(shì)與合金顯微組織的演變息息相關(guān)。

眾所周知，組織決定性能。在合金成分一定的情況下，通過鍛造或軋制變形等加工手段，使合金獲得等軸組織，之后通過退火處理對(duì)其組織進(jìn)行微調(diào)，將等軸組織轉(zhuǎn)變?yōu)殡p態(tài)組織，當(dāng)退火溫度高于合金的再結(jié)晶溫度時(shí)，會(huì)發(fā)生再結(jié)晶，利用再結(jié)晶細(xì)化晶粒或析出相強(qiáng)化使合金強(qiáng)度得以提高，這是工業(yè)化生產(chǎn)中常用的處理方式。

圖3為退火溫度對(duì)TC4LCA鈦合金沖擊吸收能量的影響。由圖3可以看出，隨著退火溫度的升高，合金的沖擊吸收能量呈增大趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著退火溫度的升高，合金中析出針狀或片狀次生α相，且其數(shù)量逐漸增多。當(dāng)合金受到?jīng)_擊載荷時(shí)，針狀或片狀次生α相的存在增大了裂紋的擴(kuò)展路徑，對(duì)裂紋擴(kuò)展起到了一定的阻礙作用，抑制了裂紋沿晶界的快速擴(kuò)展，因此其沖擊性能值增大。隨著退火溫度繼續(xù)升高，針狀或片狀次生α相長大，其片層厚度增厚、寬度增加。當(dāng)合金承受沖擊載荷時(shí)，α片厚度越厚，裂紋擴(kuò)展路徑越曲折，沖擊性能就越高。陳軍等[12]在不同熱處理制度下研究Ti700鈦合金的沖擊性能時(shí)，也得到類似的研究結(jié)果。

圖3 退火溫度對(duì)TC4LCA鈦合金沖擊吸收能量的影響Fig.3 Effect of annealing temperature on impact absorbed energy of the TC4LCA titanium alloy

岳旭等[7]的研究表明，隨著氧含量的增加，TC4鈦合金的沖擊性能下降明顯。一般來說，合金中的氧含量高于0.2%以上，沖擊性能將顯著下降。在TC4LCA鈦合金鑄錠熔煉時(shí)，通過選擇合適的熔煉工藝參數(shù)并加以控制，使鑄錠中的氧含量不高于0.20%(實(shí)測(cè)結(jié)果為0.16%、0.15%)，可使合金的沖擊性能滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

一般來說，退火溫度越高，能耗也越高。結(jié)合退火溫度對(duì)TC4LCA鈦合金顯微組織和力學(xué)性能的影響以及工業(yè)化熱處理爐能耗效益，綜合考慮，優(yōu)選出合適的退火制度為(800～880) ℃×1 h(AC)。在該溫度范圍內(nèi)熱處理，可使合金獲得強(qiáng)度、塑性與韌性的最佳匹配，且合金的制造成本較低。

圖4和圖5為厚度分別是35、30、25、20、15、12、10、8和6 mm的TC4LCA鈦合金板材經(jīng)優(yōu)化的退火制度處理后測(cè)得的室溫強(qiáng)度及斷后伸長率和沖擊性能(厚度≤10 mm的板材不測(cè)沖擊性能)。由圖4可以看出，與技術(shù)指標(biāo)要求的抗拉強(qiáng)度(Rm≥930 MPa)和屈服強(qiáng)度(Rp0.2≥860 MPa)相比，不同規(guī)格板材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均有一定的富裕量，說明通過控制TC4LCA鈦合金中Al、V主元素的目標(biāo)成分及采用優(yōu)選出的退火制度對(duì)板材進(jìn)行熱處理，可使合金板材獲得較高的強(qiáng)度，從而滿足兵器領(lǐng)域?qū)Φ统杀锯伜辖鸶咝阅艿囊蟆?/p>

圖4 退火處理后不同厚度TC4LCA鈦合金板材的強(qiáng)度Fig.4 Strength of the TC4LCA titanium alloy plates with different thicknesses after annealing

由圖5可以看出，不同厚度板材的斷后伸長率和沖擊性能均滿足技術(shù)指標(biāo)要求。說明通過精確控制TC4LCA鈦合金中的氧含量，并經(jīng)優(yōu)選的退火制度熱處理后，可使合金板材獲得較好的塑性與沖擊性能的匹配。

圖5 退火處理后不同厚度TC4LCA鈦合金板材的斷后伸長率和沖擊吸收能量Fig.5 Elongation after fracture and impact absorbed energy of the TC4LCA titanium alloy plates with different thicknesses after annealing

3 結(jié)論

1) 隨著退火溫度的升高，TC4LCA鈦合金中的長條狀初生α相向等軸狀轉(zhuǎn)變，β轉(zhuǎn)變組織中析出細(xì)小針狀或片狀次生α相。退火溫度越高，長條狀初生α相含量減少，等軸化傾向明顯，直至發(fā)生粗化。與此同時(shí)，針狀或片狀次生α相長大。

2) 隨著退火溫度升高，TC4LCA鈦合金的強(qiáng)度先增大后減小，斷后伸長率略有降低，沖擊性能則呈增大趨勢(shì)。

3) 采用(800～880) ℃×1 h(AC)的退火制度，可使TC4LCA鈦合金獲得強(qiáng)度、塑韌性的最佳匹配。