鈦合金具有密度小、比強度高、耐蝕性好、無磁性等優異的性能，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，從而更能發揮鈦合金的優越性，在航空、航天、化工、艦船、汽車、兵器、體育、醫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律及其室溫力學性能的變化規律，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化批量生產提供依據。

 

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轉變溫度為974 ℃。鑄錠經處理后在1200 mm四輥可逆熱軋機列上在相變點以下20～50 ℃采用。

2.試驗結果與討論

2.1  變形過程中板材的組織與性能

為經不同火次變形后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，晶內為樹枝晶組織。經一火變形后，鑄態的樹枝晶組織被破碎，形成柱狀組織。經兩火變形后，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）℃，雖然顯微組織發生一些變化，但仍然以棒狀或等軸狀α+β轉變組織為主，晶粒尺寸大小和形態十分相似（見圖2a～d）。隨著退火溫度從820 ℃繼續升高，板材顯微組織較低溫時發生明顯變化。

3.結論

（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晶粒被破碎，枝晶組織轉變為α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先升后降的趨勢，屈服強度和斷面收縮率總體呈現上升趨勢，而延伸率則變化不大；

（3）經退火處理后，可獲得強度與塑性的最優匹配。

 

按TC4成分進行配料，經壓制、焊接成自耗電極后，進行兩次真空自耗熔煉，制得Φ520mm鑄錠。經鍛造或軋制后制得三種初始組織的鈦棒坯。樣品經過900~1080℃固溶處理后，再經500~650℃時效處理。經過試驗分析后，發現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。