鈦合金具有密度小、比強度高、耐蝕性好、無磁性等優(yōu)異的性能，TC4鈦合金即Ti-6Al-4V，是一種應用最為常用的鈦合金，它在所有鈦合金牌號中占60%左右。目前TC4鈦合金在飛機上的應用一般都是退火狀態(tài)的，而淬火+時效處理的鈦合金應用較少，TC4合金的淬火+時效處理可以提高合金的強度、塑性等力學性能，從而更能發(fā)揮鈦合金的優(yōu)越性，在航空、航天、化工、艦船、汽車、兵器、體育、醫(yī)療等領域都有寬闊的應用空間。然而鈦合金較高的成本限制了其應用范圍，因此，低成本鈦合金的研發(fā)以及鈦合金的低成本化制備技術仍然是當前最重要的研究熱點。

 

通過對TC4鈦合金進行兩相區(qū)淬火+時效處理，觀察分析了不同工藝處理后的顯微組織，并進行了拉伸、沖擊試驗，探討淬火、時效溫度對其組織和力學性能的影響。結(jié)果表明，合金的顯微組織隨淬火溫度和時效溫度升高粗化。合金強度隨淬火溫度升高先增加后降低，合金的塑性、沖擊韌性隨淬火溫度升高不斷降低；在相同淬火溫度下，合金的強度隨時效溫度升高而降低，合金的塑性、沖擊韌性隨時效溫度的升高先增加后降低。

 

本文主要研究電子束冷床爐（EBCHM）熔煉TC4鈦合金扁錠直接軋制板材在變形及退火過程中的組織和性能，揭示了板材顯微組織的演化規(guī)律及其室溫力學性能的變化規(guī)律，得到板材強度與塑性最佳匹配的退火制度，旨在為該合金板材的工業(yè)化批量生產(chǎn)提供依據(jù)。

 

1.試驗材料與方法

利用海綿鈦、鈦合金返回料等原料在電子束冷床爐上熔煉出270×1085×5000 mmTC4鈦合金扁錠，其化學成分符合GB/T 3620.1-2007標準要求，金相法測得其β轉(zhuǎn)變溫度為974 ℃。鑄錠經(jīng)處理后在1200 mm四輥可逆熱軋機列上在相變點以下20～50 ℃采用。

2.試驗結(jié)果與討論

2.1  變形過程中板材的組織與性能

為經(jīng)不同火次變形后TC4鈦板的顯微組織照片。可見電子束冷床爐熔煉的TC4鈦合金扁錠晶粒粗大，晶內(nèi)為樹枝晶組織。經(jīng)一火變形后，鑄態(tài)的樹枝晶組織被破碎，形成柱狀組織。經(jīng)兩火變形后，粗大的晶粒破碎為細小晶粒。

2.2  退火處理后板材的組織與性能

鈦板經(jīng)720～950 ℃/1h，AC退火后的顯微組織。從圖中可以看出，當退火溫度較低時（720～820）℃，雖然顯微組織發(fā)生一些變化，但仍然以棒狀或等軸狀α+β轉(zhuǎn)變組織為主，晶粒尺寸大小和形態(tài)十分相似（見圖2a～d）。隨著退火溫度從820 ℃繼續(xù)升高，板材顯微組織較低溫時發(fā)生明顯變化。

3.結(jié)論

（1）隨著軋制變形火次的增加，電子束冷床爐熔煉的TC4鈦合金扁錠粗大的鑄態(tài)晶粒被破碎，枝晶組織轉(zhuǎn)變?yōu)?alpha;組織，板材的室溫力學性能顯著提高；

（2）TC4鈦板退火后，組織更加均勻等軸化，隨著溫度的升高，析出次生片狀α相，初生α含量增多；鈦板材的抗拉強度呈現(xiàn)先升后降的趨勢，屈服強度和斷面收縮率總體呈現(xiàn)上升趨勢，而延伸率則變化不大；

（3）經(jīng)退火處理后，可獲得強度與塑性的最優(yōu)匹配。

 

按TC4成分進行配料，經(jīng)壓制、焊接成自耗電極后，進行兩次真空自耗熔煉，制得Φ520mm鑄錠。經(jīng)鍛造或軋制后制得三種初始組織的鈦棒坯。樣品經(jīng)過900~1080℃固溶處理后，再經(jīng)500~650℃時效處理。經(jīng)過試驗分析后，發(fā)現(xiàn)試樣強度隨固溶溫度的升高而升高，但超過相變點后，強度有所下降，而塑性則隨固溶溫度升高明顯降低。隨時效溫度升高，等軸α相尺寸大大增大，含量基本無變化，在550℃時效的樣品獲得了最大的強化效果。在相同的時效溫度(600℃)下，延長時效時間抗拉強度明顯提高，但屈服強度基本保持穩(wěn)定，塑性有惡化趨勢。通過熱處理形成的等軸α相有利于提高塑性指標，形成的次生條狀α相有利于提高強度指標。