退火溫度對TC4ELI鈦合金大規格環材組織和力學性能的影響

關 蕾， 李 瑞， 張雪敏， 王小翔， 何書林， 王鼎春， 王永強

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

鈦及鈦合金具有密度小、比強度大、加工性能好、與新興復合材料的相容性好等優點，被廣泛應用于航空航天、兵器、建筑、石油化工等領域。此外，鈦合金對海水及其他腐蝕介質有較好的耐蝕性，具有無磁性、透聲等優點，使其在船舶和海洋工程等方向也得到了較多的應用，是一種優質、輕型結構材料，被譽為“海洋金屬”[1-3]。TC4ELI鈦合金是在TC4鈦合金基礎上開發的一種新型低間隙元素鈦合金，由于合金元素含量允許波動范圍較窄，因此，具有良好的韌性和一定的焊接性能。該合金在航空航天等領域得到了廣泛的應用。我國自主研發的深海勇士號載人潛水器使用了TC4ELI鈦合金制作載人球艙[4]。海洋裝備服役時，潛艇、艦船等在海水中會受到海浪及海上漂浮物的沖刷和撞擊，需要承受大的沖擊載荷作用[5]。因此，為了保證TC4ELI合金材料的使用安全性，其強度、塑性和沖擊韌性需達到良好匹配[6-9]。

鈦合金材料的性能是由顯微組織決定的。根據鈦合金組織形態的不同，可分為等軸組織、網籃組織、雙態組織和魏氏組織[10]。等軸組織和雙態組織具有較高的強度和較好的塑性，且抗缺口敏感性最好；網籃組織和魏氏組織具有較高的斷裂韌性、低的疲勞裂紋擴展速率，但塑性較差[6,11]。

基于TC4ELI鈦合金大規格環材的工況環境和組織對性能的影響特點，本文研制出了具有網籃組織的TC4ELI鈦合金大規格環材，并研究了其在退火過程中組織和性能的變化規律，找到使TC4ELI鈦合金大規格環材獲得最佳強度、塑性和與沖擊韌性匹配的退火溫度，為TC4ELI鈦合金大規格環材在海洋工程中的推廣應用提供一定的技術參考。

1 實驗材料及方法

實驗材料為經3次真空自耗電弧爐熔煉的TC4ELI鈦合金鑄錠，規格為Φ1 040 mm，化學成分符合GB/T 3620.1—2016 《鈦及鈦合金牌號和化學成分》標準要求，合金鑄錠宏觀照片見圖1。采用金相法測得β相變轉變溫度為975 ℃，金相組織高倍照片見圖2。

圖1 Φ1 040 mm TC4ELI鈦合金鑄錠宏觀照片Fig.1 Macro-photo of the Φ1 040 mm TC4ELI titanium alloy ingot

圖2 金相法檢測相變點的高倍照片Fig.2 High magnification photos for detecting the phase transition point by metallography method

鑄錠在相變點以上較高溫度加熱后，采用101MN液壓快鍛機進行大變形量的鐓拔開坯鍛造，然后在臺車式電阻爐中將坯料在相變點以上較高溫度加熱，進行多火次自由鍛（鐓粗、拔長）制備環坯，經表面修磨后將坯料在相變點以上加熱后，經過鐓粗、沖孔、擴孔、芯軸拔長工藝制備出規格為Φ1 350 mm/Φ800 mm×1 950 mm的環坯；采用罩式電阻爐將坯料在相變點以上加熱后，利用CMC10000臥式碾環機進行環材成品碾環，最終制備 出Φ3 384 mm/Φ3 300 mm×1 950 mmTC4ELI鈦合金大規格環材。

從成品環材上切取試樣環，在箱式電阻爐中進行熱處理實驗，退火工藝分別為700、750、800、850、900 ℃保溫2 h后空冷。隨后從進行不同溫度退火后的試樣環坯上分別切取室溫拉伸試樣、沖擊試樣及金相試樣。按照GB/T5168—2007《α-β鈦合金高低倍組織檢驗方法》，采用AXIOVERT 200 MAT金相顯微鏡進行顯微組織觀察；按照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》，采用INSTRON 5885電子萬能材料拉伸試驗機測試室溫拉伸性能；按照GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，在PTM2300金屬擺錘式沖擊試驗機上測試室溫沖擊性能。

2 結果與分析

2.1 對顯微組織的影響

圖3為TC4ELI鈦合金大規格環材熱加工態及不同溫度退火后的金相組織。從圖3可以看出，熱加工態TC4ELI大規格環材組織為網籃組織，其特征是在原始β晶粒內部分布著不同位向的片層狀或針狀α相，β晶界上分布著條狀和不規則塊狀的α相。在700～850 ℃進行退火，顯微組織沒有顯著變化，仍然為網籃組織。當退火溫度為900 ℃時，原始部分片層狀或針狀α相的尺寸增大，并有少量尺寸很小的等軸α相。

2.2 對室溫拉伸性能的影響

圖4為不同溫度退火后的TC4ELI鈦合金大規格環材的室溫拉伸性能。從圖4可以看出：在800 ℃以下退火，隨著退火溫度的逐漸升高，室溫抗拉強度變化不大，熱加工態的室溫抗拉強度平均值為917.0 MPa，屈服強度平均值為812.5 MPa；而700～800 ℃退火后室溫抗拉強度平均值為867.0 MPa，差值最大為11.5 MPa，屈服強度平均值為770.0 MPa，差值最大僅為9.0 MPa。850 ℃和900 ℃退火后，抗拉強度及屈服強度均略有增大，抗拉強度平均值為902.5 MPa，差值為6.0 MPa，屈服強度平均值為809.5 MPa，差值為2.0 MPa。從結果看出，TC4ELI鈦合金大規格環材在800～900 ℃退火后，室溫拉伸強度波動較小。觀察斷面收縮率可知：800 ℃以下退火，斷面收縮率基本不變；800 ℃以上退火，斷面收縮率顯著增加，且850 ℃和950 ℃退火后，斷面收縮率基本相同。

由圖3可以看出，隨著退火溫度的升高，TC4ELI鈦合金大規格環材片層組織中α相尺寸變化不明顯，組織均為典型的網籃組織，與圖4中700～800 ℃處理后室溫拉伸強度變化趨勢一致，退火溫度超過800 ℃，片狀α相變寬，長寬比變小，細小的組織阻礙了塑性變形過程中滑移的進行，從而提高了材料強度[11-12]。850 ℃以下退火后，顯微組織沒有明顯變化，仍為網籃組織，且與原始熱加工態組織基本相同，所以合金的強度和塑性變化不大，900 ℃退火后，部分片層狀或者針狀α相尺寸增大，合金的強度和塑性變化不大，但斷面收縮率顯著增大，這說明斷面收縮率受片層狀或者針狀α相的尺寸影響比較顯著。

圖3 TC4ELI鈦合金大規格環材熱加工態及不同溫度退火后的金相組織Fig.3 Microstructures of the TC4ELI titanium alloy large specification rings under hot working state and after annealing at different temperatures

圖4 TC4ELI鈦合金大規格環材不同溫度退火后室溫拉伸性能Fig.4 Room temperature tensile properties of the TC4ELI titanium alloy large specification rings annealed at different temperatures

2.3 對沖擊性能的影響

TC4ELI鈦合金大規格環材經不同溫度退火后的沖擊功測試結果見圖5。由圖5可以看出，隨著退火溫度的升高，沖擊功呈明顯上升趨勢，經過900 ℃退火后的沖擊功平均值為61 J，比700、750、800、850 ℃退火后沖擊功平均值分別高29.5%、27.9%、13.1%、10.9%。

圖5 TC4ELI鈦合金大規格環材不同溫度退火后沖擊性能Fig.5 Impact properties of the TC4ELI titanium alloy large specification rings annealed at different temperatures

由圖3可以看出，TC4ELI鈦合金大規格環材組織為典型的網籃組織。文獻[13-15]指出，鈦合金的沖擊性能主要影響因素是α相的尺寸和形態，網籃組織中的α相形態為細小片狀交縱排布，減小了裂紋在α相中萌生的可能性，抗位錯運動的能力增強，可以顯著提高沖擊性能。

3 結 論

（1）隨著退火溫度的升高，TC4ELI鈦合金大規格環材片層組織中α相的尺寸變化不明顯，組織均為典型的網籃組織，當退火溫度超過900 ℃時片狀α相變寬，組織有等軸化趨勢，片層狀α相長寬比逐漸變小；

（2）退火溫度對TC4ELI鈦合金大規格環材強度影響較小；

（3）隨著退火溫度的升高，TC4ELI鈦合金環材的伸長率、斷面收縮率有所提高，尤其斷面收縮率提高明顯；

（4）隨著退火溫度的升高，TC4ELI鈦合金環材沖擊功也逐步提高，當退火溫度高于750 ℃，沖擊功顯著提高；

（5）經800～900 ℃退火處理2 h空冷后，TC4ELI鈦合金大規格環材強度、塑性及沖擊功達到較好匹配。