大变形热轧制备超细晶TC4钛合金的组织与性能

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(上海交通大学材料科学与工程学院，上海 200240))

0 引 言

TC4(Ti6Al4V)钛合金是一种典型的双相(α+β)钛合金，具有密度低、强度高、热膨胀系数低、生物相容性好、抗疲劳和耐腐蚀性能优异等特点，被广泛用于航空航天、汽车、海洋工程、化学工程、医疗器械等行业[1-2]。然而，使用条件的变化对合金的强度提出了更高的要求，如何进一步提高TC4钛合金的强度成为近十年来钛合金研究的热点之一。晶粒(组织)细化是同时提高材料强度和韧性的有效途径，采用强烈塑性变形(Severe Plastic Deformation，SPD)技术可以获得纳米晶(晶粒尺寸在100 nm及以下)或超细晶(晶粒尺寸在1 000 nm及以下)组织，进而显著提高材料的强度。近年来，各种SPD技术，如高压扭转(HPT)[3]、等通道挤压(ECAE/ECAP)[4]等，被广泛应用于制备高强度TC4钛合金，并取得了良好的效果[3-9]。

但是，这些传统SPD技术对生产条件的要求较高，制备的材料尺寸也较小，很难实现工业化生产。轧制是最常用也是最理想的工业化生产大型板材的方法，作为一种新型的SPD技术，大变形轧制能有效地细化晶粒，同时易于实现工业化生产。在前期研究中，作者所在课题组采用大变形轧制方法成功制备了纳米晶及超细晶钢[10-12]、镍合金[13]和纯钛[14-15]。在此基础上，作者采用道次大压下量的大变形热轧方法制备超细晶TC4钛合金，研究了轧制变形量对该合金组织和性能的影响。

1 试样制备与试验方法

试验原料为商用TC4钛合金，由云南钛业提供，其化学成分见表 1。使用电火花线切割机在TC4钛合金上切割出尺寸为100 mm×30 mm×20 mm的块状试样，在马弗炉中于1 100 ℃保温1 h，然后在70 t轧机(上海应用技术大学金属压力加工中心)上进行道次大压下量轧制，开轧温度1 100 ℃，经2～4道次轧制至厚度分别为8，6，4，2 mm，轧制变形量分别为60%，70%，80%，90%，终轧温度600 ℃，水冷至室温。

表 1 TC4钛合金的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical composition of TC4 titaniumalloy (mass) %

在大变形热轧前后的TC4钛合金上取样，经镶嵌、研磨、抛光后，用Kroll腐蚀溶液(由3 mL HF、6 mL HNO3和100 mL H2O组成)腐蚀10 s，再在ZEISS AXIO Imager.A1m型光学显微镜上观察显微组织。用MTP-1A型电解双喷减薄仪制备薄膜试样，双喷液为体积分数5%高氯酸酒精溶液，温度控制在-30 ℃左右，电压为30 V，然后采用JEOL 2100F型高分辨透射电子显微镜(TEM)进行形貌观察和结构分析，工作电压为200 kV，通过对10张暗场像的晶粒尺寸(晶粒数大于100个)进行统计，计算平均晶粒尺寸。对大变形热轧前后的TC4钛合金试样进行研磨、抛光，再用体积分数5%高氯酸酒精溶液电解抛光并去应力处理后，用Shimadzu XRD-6000型X射线衍射仪(XRD)进行物相分析，采用铜靶，Kα射线，电压40 V，电流40 mA，扫描范围为30°～90°。使用402SXV型显微硬度计进行维氏硬度测试，载荷为4.903 N，保载时间为15 s。根据ASTM E8/E8M设计拉伸试样，尺寸如图1所示，RD，TD，ND分别为轧制方向、横向和法向；根据GB/T 228-2002，在Zwick/Roell-Z100型万能拉伸试验机上进行室温拉伸试验，拉伸应变速率为1×10-3s-1。

图1 拉伸试样尺寸Fig.1 Size of tensile specimen

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图2可知：大变形热轧前TC4钛合金的组织由片层状α和β双相组成，原始等轴状晶界清晰，平均晶粒尺寸约400 μm;随着变形量的增加，其组织显著细化；在60%和70%变形量下TC4钛合金的原始粗大晶粒被压扁拉长，且在变形过程中由于位错增殖,粗大晶粒内部被分割成细小的亚晶粒；当变形量为80%时，合金中晶粒的完整形貌消失，出现明显的轧制变形带；当变形量为90%时，合金中的变形带更加细密和均匀，组织更加细小。

由图3可见：大变形热轧后TC4钛合金发生了强烈塑性变形，组织明显细化，变形量为60%时，钛合金组织中存在超细晶和一定程度的位错；随着热轧变形量的增加，超细晶数量增加，晶粒尺寸略有减小，位错密度变化不大；当热轧变形量为80%时，TC4钛合金中的超细晶数量较多、晶界相对清晰，当变形量超过90%后，超细晶晶界不清晰，位错密度和点阵畸变明显高于其他变形量热轧后的。这种变化规律可以由动态再结晶进行解释：在大变形热轧过程中，晶粒通过在晶界等位错聚集处形核长大发生再结晶(非连续动态再结晶)，或由变形生成小角度晶界晶粒并在变形量进一步增加时直接转变为大角度晶界发生再结晶(连续动态再结晶)，随后再结晶晶粒长大，原始片层状组织被逐步分解成超细晶[16]。

由图4可见：经变形量为90%的大变形热轧后，TC4钛合金中含有大量因剧烈塑性变形而形成的高密度位错、位错胞和亚晶等，其组织明显细化；对选区电子衍射(SAED)花样分析后发现，衍射环由密排六方和体心立方两套斑点组成，分别对应钛合金的α和β相，衍射斑点呈不连续环状，说明轧制后TC4钛合金组织中存在大量的大角度晶界[14,17]；在TEM暗场像中可以明显观察到超细晶，统计得到的平均晶粒尺寸约150 nm，由于此处使用TEM暗场像测量的晶粒数量有限，所得平均晶粒尺寸与实际情况可能存在少许误差。与大变形热轧前的TC4钛合金相比，经90%变形量热轧后合金的组织明显细化，采用大变形热轧成功制备得到了超细晶TC4钛合金。

2.2 物相组成

图5 不同变形量热轧前后TC4钛合金的XRD谱Fig.5 XRD patterns of TC4 titanium alloy before and after hot rolling with different reductions

2.3 硬度和拉伸性能

由图6可以发现，大变形热轧后TC4钛合金的硬度明显提高，且随着热轧变形量的增加而增大，当变形量从60%增至80%时，硬度增大速率较快，经90%变形量热轧后TC4钛合金的硬度达364.7 HV。热轧变形能够细化晶粒并提高位错密度，虽然动态再结晶会消耗部分位错，但还会有大量位错残留，这些残留位错是热轧后钛合金硬度提升的主要影响因素。

图6 不同变形量热轧前后TC4钛合金的显微硬度Fig.6 Microhardness of TC4 titanium alloy before and after hot rolling with different reductions

由图7可知：经大变形热轧后TC4钛合金的强度明显提高，且随着热轧变形量的增加而增大；与热轧前的相比，经60%和70%变形量热轧后合金在强度增加的同时，伸长率也明显增大；经90%变形量热轧后，TC4钛合金的抗拉强度达到1 135 MPa，比大变形热轧前合金的874 MPa提高了近30%，其伸长率超过9%，呈现出高强高韧的特点。

图7 不同变形量热轧前后TC4钛合金的拉伸性能Fig.7 Tensile properties of TC4 titanium alloy before and after hot rolling with different reductions

材料的强度与晶粒尺寸之间符合经典的Hall-Petch关系,即：

(1)

式中：σy为屈服强度；σ0为材料常数，与位错移动时所受晶格阻力有关；ky为常数；d为平均晶粒尺寸。

由式(1)并结合图2～图4分析可知：随着热轧变形量的增加，TC4钛合金的晶粒尺寸减小，强度增加；经90%变形量热轧后TC4钛合金除了组织得到进一步细化外，在晶粒内部还出现了高密度位错、位错胞以及非平衡晶界，因此其强度增加显著。此外，TC4钛合金在强度提高的同时保持了优异的塑性，这仍然要归因于组织的细化。在变形时位错可以在更多相对细小的晶粒中启动，不同细小晶粒间的变形更容易协调，从而推迟了应力集中和断裂的发生，提升了塑性。可见，通过道次大压下量的大变形热轧可以获得高强高韧的超细晶TC4钛合金材料。

2.4 拉伸断口形貌

由图8可见，经大变形热轧后TC4钛合金的拉伸断口均呈韧窝状，为典型的微孔聚集型韧性断口。钛合金受力时，因位错的塞积作用，在晶界、亚晶界、析出相、夹杂物处首先形成微孔；随着变形的继续，微孔相互连接并长大，导致合金断裂[18]。随着热轧变形量的增加，韧窝尺寸减小、深度变浅，说明合金塑性变差。这是因为变形量越大，合金的晶粒尺寸越小，微孔形核数量越多。

图8 不同变形量热轧后TC4钛合金拉伸断口的SEM形貌Fig.8 SEM micrographs showing tensile fracture of TC4 titanium alloy after hot rolling with different reductions

3 结 论

(1) 通过大变形热轧及道次大压下量的方法成功制备了超细晶TC4钛合金，经变形量为90%的大变形热轧后，可以获得平均晶粒尺寸约150 nm的超细晶组织，合金的抗拉强度从874 MPa提升到1 135 MPa，伸长率超过9%。

(2) TC4钛合金在大变形热轧过程中发生了动态再结晶，随着热轧变形量的增加，超细晶数量增加、尺寸减小，晶粒内残留位错、亚晶等缺陷的密度增加，合金的硬度和强度增大；由于超细再结晶组织的形成，大变形热轧后TC4钛合金仍然保持了优异的塑性，拉伸断裂方式均为韧性断裂。

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