退火溫度對低成本TC4LCA鈦合金板材組織和性能的影響

王 儉， 馮秋元 ,， 雷 挺， 張永強 ,， 王小翔,

(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)

鈦合金密度小、比強度高、耐蝕性好，是一種優異的輕質結構材料，被譽為“太空金屬”、“海洋金屬”和“第三金屬”，已在化工、航空、航天等領域獲得廣泛應用。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]。經過近70年的發展，該合金已發展成為世界上用量最大(其產量占鈦合金總產量的50%以上，在航空航天中超過80%)、用途最廣、應用最成熟的鈦合金。通常，航空航天領域出于減重需要，對鈦合金的成本不太敏感。近年來，隨著兵器領域輕量化、高戰技性能需要，比強度高、耐蝕性好、輕質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、戰車的披掛裝甲、炮塔等，顯著減輕武器裝備質量，提高其機動性、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用的瓶頸。隨著武器裝備的升級換代，不但對鈦合金的力學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的關注焦點和今后的發展趨勢[3]。

TC4LCA鈦合金是為滿足兵器領域低成本應用需求，在常規TC4鈦合金化學成分的基礎上設計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，對雜質元素Fe和O的含量進行了微調(主要是基于考慮添加返回料需要)；在性能上，TC4LCA合金的強度高30 MPa以上(抗拉強度和屈服強度分別不小于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，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度和韌性指標，一方面，需對合金中的主元素Al、V的目標成分進行控制，以此保證合金的高強度；另一方面，需對合金中的O含量進行控制，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：一是添加廉價元素的合金成分設計，主要是降低原料成本；二是添加返回料(最高可達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TC4LCA鈦合金中Al、V及O元素的含量進行控制之外，還需通過熱處理對其顯微組織進行微調，以便使合金既能滿足較高的強度指標要求，也能同時滿足沖擊性能指標要求。在工程應用中，鈦及鈦合金常采用的熱處理方式有退火、固溶+時效等。與固溶+時效相比，退火處理簡便、低耗，是工業化大生產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熔煉出成分均勻的TC4LCA鈦合金鑄錠，之后采用軋制技術制備出不同厚度規格的合金板材，最后選取典型規格板材進行不同溫度的退火處理。在此基礎上，優選出強度、塑韌性匹配較佳的退火制度，旨在為板材的工程化應用提供參考。

1 試驗材料及方法

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行取樣，分析其化學成分，具體測試結果見表1，金相法測得鑄錠的相變點(Tβ)為991 ℃。將板坯在1200 mm可逆式熱軋機上，在相變點以下多火次加工，軋制出35、30、25、20、15、12、10、8和6 mm(厚)×600 mm(寬)×900 mm(長)共9個規格的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鈦合金鑄錠的化學成分(質量分數，%)

1.2 熱處理試驗

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、金相試樣進行退火處理。分別進行780、800、840、880和920 ℃退火，保溫1 h后出爐空冷。

試樣退火處理后，分別進行顯微組織觀察和室溫力學性能測試。顯微組織觀察在光學顯微鏡(Axiovert 200 Mat)上進行，采用配比為HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶9(體積比)的侵蝕液對金相試樣進行腐蝕。室溫拉伸試驗按GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》在CMT5105型電子萬能材料試驗機上進行。沖擊性能試驗按GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》在NI500C金屬擺錘式沖擊試驗機上進行，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 結果及分析

2.1 退火溫度對合金顯微組織的影響

圖1是合金的加工態(R態)組織及經不同溫度退火后的顯微組織，其中圖1(a)是加工態組織。由圖1(a)可見，合金經軋制變形后的組織為兩相區加工組織，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轉變組織組成(圖1(a)中灰色部分)。

圖1 TC4LCA鈦合金的加工態(R態)(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 ℃

經退火處理后，合金的組織發生了明顯的變化。當退火溫度由780 ℃(見圖1(b))升高至840 ℃(見圖1(d))時，在畸變能的驅動下，長條狀初生α相發生球化，逐漸向等軸狀初生α相轉變。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，從β轉變組織中析出針狀或片狀次生α相，見圖1(d)。當退火溫度升高至880 ℃時，長條狀初生α相含量繼續減少，等軸化傾向更加明顯；β轉變組織中析出的針狀或片狀次生α相數量逐漸增多，見圖1(e)。當退火溫度升高至920 ℃時，等軸初生α相發生粗化，同時針狀或片狀次生α相長大，見圖1(f)。合金顯微組織的這種演變規律與其力學性能是密切相關的[10]。

2.2 退火溫度對合金力學性能的影響

圖2為退火溫度對合金強度和塑性的影響。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；合金的抗拉強度和屈服強度均呈現先增大后降低的趨勢。這是因為隨著退火溫度的升高，從β轉變組織中析出細小的針狀或片狀次生α相，起到析出相強化效果，因此合金的強度升高。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基體內位錯滑移長度，有利于提高合金強度，這與本研究的結果相吻合。隨著退火溫度繼續升高，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。根據霍爾-佩奇(Hall-Petch)公式(式(1))可知，合金的屈服強度與晶粒大小的平方根呈反比關系。當晶粒尺寸增大時，合金的強度降低。

σs=σ0+kd-1/2

(1)

式中：σs為屈服強度；σ0為單個位錯產生時的晶格摩擦力；k為常數；d為平均晶粒尺寸。

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

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

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其組織進行微調，將等軸組織轉變為雙態組織，當退火溫度高于合金的再結晶溫度時，會發生再結晶，利用再結晶細化晶粒或析出相強化使合金強度得以提高，這是工業化生產中常用的處理方式。

圖3為退火溫度對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。這是因為隨著退火溫度的升高，合金中析出針狀或片狀次生α相，且其數量逐漸增多。當合金受到沖擊載荷時，針狀或片狀次生α相的存在增大了裂紋的擴展路徑，對裂紋擴展起到了一定的阻礙作用，抑制了裂紋沿晶界的快速擴展，因此其沖擊性能值增大。隨著退火溫度繼續升高，針狀或片狀次生α相長大，其片層厚度增厚、寬度增加。當合金承受沖擊載荷時，α片厚度越厚，裂紋擴展路徑越曲折，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，也得到類似的研究結果。

圖3 退火溫度對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，通過選擇合適的熔煉工藝參數并加以控制，使鑄錠中的氧含量不高于0.20%(實測結果為0.16%、0.15%)，可使合金的沖擊性能滿足技術指標要求。

一般來說，退火溫度越高，能耗也越高。結合退火溫度對TC4LCA鈦合金顯微組織和力學性能的影響以及工業化熱處理爐能耗效益，綜合考慮，優選出合適的退火制度為(800～880) ℃×1 h(AC)。在該溫度范圍內熱處理，可使合金獲得強度、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鈦合金板材經優化的退火制度處理后測得的室溫強度及斷后伸長率和沖擊性能(厚度≤10 mm的板材不測沖擊性能)。由圖4可以看出，與技術指標要求的抗拉強度(Rm≥930 MPa)和屈服強度(Rp0.2≥860 MPa)相比，不同規格板材的抗拉強度和屈服強度均有一定的富裕量，說明通過控制TC4LCA鈦合金中Al、V主元素的目標成分及采用優選出的退火制度對板材進行熱處理，可使合金板材獲得較高的強度，從而滿足兵器領域對低成本鈦合金高性能的要求。

圖4 退火處理后不同厚度TC4LCA鈦合金板材的強度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指標要求。說明通過精確控制TC4LCA鈦合金中的氧含量，并經優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相向等軸狀轉變，β轉變組織中析出細小針狀或片狀次生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，直至發生粗化。與此同時，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。

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