退火溫度對TC4鈦合金薄壁環材沖擊韌性的影響

都海剛++檀雯++岳旭++王永強++劉繼雄++郭建華++石衛民++尹勝利

摘 要：選擇不同退火溫度對Ф337/Ф298×300mm規格的TC4鈦合金薄壁環材進行熱處理，進行沖擊韌性（aKv2）測試，結合金相、斷口宏觀和SEM觀察形貌，分析了不同退火溫度對TC4薄壁環材沖擊韌性的影響。結果表明，隨著退火溫度的提高，環材沖擊韌性得到了顯著的提高。

關鍵詞：TC4鈦合金；薄壁環材；沖擊韌性；裂紋擴展路徑

中圖分類號：TG146 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）20-0062-02

前言

TC4屬于典型的α+β型鈦合金，具有比強度高，且耐腐蝕性好，可熱處理強化，密度為4.5g/mm3，TC4鈦合金占鈦合金總產量50%，對其長時間的深入研究，其生產工藝成熟，被廣泛應用于航空、航天、醫療等領域，但是由于TC4鈦合金的抗沖擊韌性較差嚴重限制了其更廣泛應用，有關TC4鈦合金的沖擊韌性研究報道較少；常溫時TC4鈦合金由α和β兩相組成，可對其進行退火、固溶和時效方式的熱處理[1]，不同的熱處理工藝可以獲得不同的相組成和顯微組織，在普通退火狀態下，片狀組織的力學性能優于雙態組織，但在高應力區，雙態組織的力學性能優于片狀組織[2]。所以，控制TC4鈦合金的顯微組織和晶粒尺寸對其材料性能具有重要的意義。本文利用寶鈦集團科研課題資金支持，通過本文過對TC4薄壁環材的退火溫度、顯微組織和沖擊韌性進行分析，以探討退火溫度對其抗沖擊韌性的影響。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

選用寶鈦股份有限公司生產的Φ720mm鑄錠，經三次真空電弧爐熔煉，化學成分和相變點見表1；通過開坯-制坯-沖孔-擴孔-芯軸拔長等工藝生產出滿足機加要求的環坯，機加工后取弦向試樣，按照熱處理方案處理后進行aKv2沖擊試驗，具體熱處理工藝見表2：

1.2 實驗方法

在環坯上按照合適尺寸進行下料后，在環材弦向取樣，加工成為10mm×10mm×55mm的Charpy沖擊試樣，缺口類型為V型，開口位置分別在環材的外表面和端面，沖擊韌性試驗采用JNS-300金屬擺鐘式試驗機，試樣的顯微組織在ZEISS Axlover 200MAT光學顯微鏡進行檢測，斷口形貌在日本電子JSM480型電子顯微鏡行進觀察，金相試樣所用腐蝕液為10%HNO3+5%HF+85%H2O。

2 試驗結果與分析

2.1 沖擊韌性

在環材弦向切取沖擊試樣，開口方向垂直于環材端面（見圖1），每組試驗使用3個平行試樣，結果取平均值，具體數據見圖2，以往TC4環材的aKv2沖擊功在20-32J/cm2之間，且由于V型開口的敏感性致使沖擊功檢測數據離散較大，很難用統一的標準范圍進行規范要求，本文通過對四組不同退火制度的試驗來測量aKv2沖擊功，具體退火溫度和沖擊功的關系如圖2。

2.2 顯微組織和斷口形貌

在環材上切取弦向高倍和沖擊試樣，按照表1的熱處理方案進行熱處理，測試其沖擊開口方向的沖擊值，并分析其顯微組織、沖擊試樣斷口宏觀形貌和試樣斷口SEM形貌，具體見圖3-5。

環材顯微組織為兩相區加工組織，初生球狀α相和β轉，弦向顯微組織均勻，初生α含量為15-25%，直徑10～25μm，隨著退火溫度的提高，球狀α相之間的距離未發生明顯變化，β轉變組織中次生α含量逐漸增加，由彌散小島狀變為連續的網狀結構，與初生α形成交互組織，網狀結構隨著退火溫度提高逐漸變粗，尺寸為5-10微米，較少的初生α含量減少裂紋萌生，網狀次生α和初生α交互裂紋擴展將不斷改變方向， 導致裂紋路徑曲折、分枝多，因而沖擊韌性韌性好[3]。

環材沖擊試樣宏觀斷口形貌見圖3中，四個熱處理制度后試樣經沖擊試驗后得到的均為韌性斷裂，沖擊斷口呈灰色，均可分為3個區域，纖維區、放射區以及剪切區。沖擊試樣的宏觀斷口表面較為平直，纖維區所占面積較大。這也可以定性地反映試樣沖擊韌性的好壞[4]；斷口表面溝槽分布流線較為明顯，試樣的撕裂棱與裂紋擴展方向垂直，與環材金屬流向完全一致。說明加工流線與顯微組織中初生形貌及分布情況對沖擊裂紋的擴展存在一定的影響，隨著退火溫度的提高，宏觀斷口的粗糙度逐漸增大，但是暗度并未明顯增加；斷口SEM拋物線型韌窩增多，韌窩深度變化不明顯，大韌窩周圍的小韌窩的數量增加，韌窩直徑約5-20微米，圖3和圖5放大倍數相同，由此可以推斷小韌窩的增加是退火溫度提高導致次生α含量增加和次生α網狀結構變厚有關，次生α與初生α形成交互組織提高環材的aKv2沖擊性能。

3 結束語

（1）隨著退火溫度的提高，β轉含量增加和次生α網狀結構變厚，改變了裂紋長大和進展方向從而增加了裂紋擴展路徑，從而使TC4環材的aKv2沖擊性能得到提高。

（2）退火溫度的提高增加了宏觀斷口粗糙度，次生α網狀結構變厚致使斷口SEM形貌上細小韌窩數目增加，從而使沖擊韌性得到了提高。

（3）通過對退火溫度的調整，薄壁環材的aKv2沖擊性能較現有的沖擊性能檢測值有了明顯的提高。

參考文獻：

[1]顧曉輝，劉君，石繼紅.淬火、時效溫度對TC4鈦合金組織和力學性能的影響[J].金屬熱處理，2011，36（2）：29-33.

[2]王敏，郭鴻鎮.TC4鈦合金晶粒細化及超塑性研究[J].塑性工程學報，2008，15（4）：155-158.

[3]周義剛，曾衛東，李曉芹，等.鈦合金高溫形變強韌化機理[J].金屬學報，1999（1）.

[4]岳旭，馬龍，等.鍛造工藝及氧含量對TC4薄壁環材沖擊韌性的影響[C].2016年世界鈦會.