β相區冷卻方式對TC4鈦合金組織與力學性能的影響

周江山 董曉峰 岳旭 同曉樂 黨鵬 楊再江

（新疆湘潤新材料科技有限公司，新疆哈密 839000）

鈦及鈦合金具有無磁性、耐腐蝕性、耐低溫等眾多優異特性，使其在發動機結構件、石油管道、核工業等領域均有廣泛應用[1-2]。TC4 鈦合金是目前最為常見的α+β 兩相鈦合金，其名義成分為Ti-6Al-4V，因為其具有良好的綜合性能，且該合金的成本較低，使得該合金在航天航空、生物醫療、海洋工程等領域都有大量的應用，該合金也被稱為萬能鈦合金[3]。

因為該合金的應用領域廣泛，故國內外大量學者對其進行研究，方星晨等進行了電子束增材制造TC4 合金制備熔道特征的研究，結果表明：增加電子束電流以及降低掃描速度，會增加電子束的線性能量值，同時提高連續性和熔道寬度；當固定其他參數，增加掃描速度會導致熔道不連續；當固定電子束電流時，隨著掃描速度增加會導致潤濕角發生明顯改變，降低其寬高比。師佑杰等研究了深冷處理對TC4 鈦合金表面性能的影響，結果表明：合金的表面粗糙度在經12 h 深冷處理后達到最小值，同時硬度值達到最大，當組織中α 相含量增加時，組織的致密性變得更加均勻；經深冷處理后的試樣表面粗糙度下降，表面質量上升。

因為熱處理目前仍是TC4 鈦合金工業生產中最常用的強化方式，而加熱后冷卻方式的不同會導致組織發生改變，目前對冷卻方式的研究以兩相區為主，故本文選擇經單向區（β 相區）加熱后，分別以不同冷卻方式對合金進行冷卻，隨后研究其組織與力學性能的關系，探索單向相區冷卻方式對TC4 鈦合金組織與力學性能的影響。

1 試驗材料與方法

本試驗選用材料為150 mm 的TC4 鈦合金棒材，其化學成分為6.34%Al、4.5% V、0.14% O、0.156%Fe、Ti 余量，測得合金相變點為990 ℃。原材料經過自由鍛造機多火次鍛造而成，隨后采用空冷方式冷卻到室溫。再將所得棒材進行切分，通過電爐將合金加熱到1000 ℃，并保溫2 h，隨后分別采用水冷、空冷、爐冷三種方式對合金進行冷卻。合金經不同方式冷卻后，依照GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1 部分:室溫試驗方法》獲取拉伸試樣進行拉伸試驗，同時切取試樣進行金相組織觀察與維氏硬度測試，金相試樣經粗磨、細磨、拋光等步驟后，使用配比為1%HF+3%HNO3+6%H2O的腐蝕劑進行腐蝕。

2 試驗結果與討論

2.1 金相組織

圖1 為TC4 鈦合金經β 相區加熱后，以不同冷卻方式處理后的金相組織，發現三種冷卻方式的組織中等軸α 相完全消失，且均存在粗大β 晶粒，區別為經水冷和空冷處理后的組織中析出針狀α 相，而經爐冷處理后的組織中析出較為粗大的條狀α 相，并有明顯的晶界α 相。三種冷卻方式中，因為水冷的速率最快，會形成過飽和固溶體，因為組織中過冷度較大，其相變方式為無擴散切變，故此時針狀α 相實質為六方馬氏體α′相。因為空冷與爐冷的冷卻速率較慢，故其相變方式為擴散轉變，最終形成α相。

圖1 經不同冷卻方式處理后的金相組織

2.2 維氏硬度

圖2 為TC4 鈦合金經不同冷卻方式處理后的維氏硬度值，其中經水冷處理后硬度值最大，空冷次之，爐冷最小，且空冷與爐冷的硬度差異較小。由圖1 的金相組織可知，水冷后組織中析出大量次生α′相，因為次生α′相的硬度較α 相相比更大，因為次生α′相大量彌散分布，測試的數值以次生α′相為主，故其硬度值較高。雖然空冷與爐冷的組織中均以α 相為主，因為空冷組織中α 相更為細小，其含量更多，對組織會產生強化作用，故其硬度較爐冷略大。

圖2 經不同冷卻方式處理后的維氏硬度

2.3 拉伸性能

圖3 為TC4 鈦合金以不同冷卻方式處理后的拉伸性能，發現經水冷處理后合金抗拉強度（Rm）與屈服強度（Rp0.2）最大，空冷次之，爐冷最小，而合金的斷后伸長率（A）呈現與強度相反的趨勢。

圖3 經不同冷卻方式處理后的拉伸性能

因為經水冷冷卻后，會形成大量α′相，拉伸試樣在塑性變形時，α′相會形成大量位錯，從而有位錯塞積形成，導致合金強度較高而塑性較低。合金經空冷處理后，形成的針狀α 相強度較α′相相比要低，故其強化效果減小，合金強度降低，合金經爐冷處理后，此時析出α 相較大，其會使位錯的滑動距離增加，同時析出的α 相具有較多可開動滑移系，在拉伸過程中，應力會分散至其余晶粒中，減少應力集中發生，導致合金塑性較高，而強度較低。

3 結論

1）三種冷卻方式的組織中α 相完全消失，存在粗大β晶粒，水冷析出α′相，空冷與爐冷析出α相；

2）合金經水冷處理后硬度值最大，空冷次之，爐冷最小，且空冷與爐冷的硬度差異較小；

3）經水冷處理后，合金強度最大，空冷次之，爐冷最小，而塑性呈現與強度相反的趨勢。