双重退火对形变TC4钛合金组织与性能的影响

龙 玮，夏麒帆，张 松，梁益龙，欧梅桂

(1.贵州大学 材料与冶金学院，贵州 贵阳 550025 ；2.高性能金属结构材料与制造技术国家地方联合工程实验室，贵州 贵阳 550025)

TC4钛合金是一种中等强度的(α+β)型钛合金，其综合性能优良，塑性和冲击韧性高，常作为重要零部件应用于航空、航天等领域[1-3]。钛合金丝材具有耐腐蚀、比强度高、无磁性的优点，综合性能远远优于不锈钢和铝合金等其他金属材料，被广泛应用于航空喷气发动机涡轮盘和叶片的补焊、机匣的焊接、化工领域内的过滤网、医疗领域中植入人体的牙冠固定、颅骨固定、及各种紧固件、承力构件、弹簧等[4]。由于钛合金加工性能较差，实际生产中需要在高温下成形，钛合金丝的成型多采用热拉拔工艺，为优化工艺设计，需要通过实验来了解不同变形条件下材料的变形行为。

TC4钛合金在经过热变形后，需要进行适当的热处理以获得更好的组织和性能。钛合金主要的热处理方式包括退火、固溶和时效等，其中退火处理的主要目的是使零件加工后的残余应力减小乃至消除，并稳定组织和性能[5-6]。在TC4钛合金丝热拉拔的过程中，随着变形量的增加，材料内部会有残余应力的产生，对后续的拉拔生产有不利的影响，而且高温变形时材料的微观组织将发生明显的变化[7]，例如动态、静态回复与再结晶及晶粒长大等，这些变化会影响材料的宏观力学行为。为了降低加工硬化效果，提高延伸率，使得材料塑性最佳，利于下一阶段拉拔工序，需要进行中间退火工艺[8]。

高温形变可以使材料处于高能量的加工态，产生稳定的点阵扭曲或较高缺陷密度，并在随后的热处理过程中加以利用，使材料的强度和塑性的结合较好，可以为后面的热处理提供组织基础。TC4钛合金中，初生等轴α相对材料的塑性和强度有很大的贡献[9]，等轴α相晶粒存在，可以起到变形协调的作用。所以在实际生产中，应当考虑到控制等轴α相的含量，来控制TC4钛合金的性能。双重退火热处理的第一重退火温度影响初生等轴α相含量，第二重退火温度影响β相转变产物的种类[10]，因此，应当设置不同的第一重、第二重退火温度，来研究不同退火温度对TC4热拉伸变形后组织与性能的影响。

本文通过对热变形后的TC4棒材进行不同退火工艺的研究，探讨不同退火工艺对热变形TC4合金组织及性能的影响，从而为实际生产时合理订制TC4钛合金丝热处理工艺提供理论指导和科学依据。通过此次实验可以研究一重退火温度对TC4热拉伸后显微组织的影响、二重退火温度对TC4热拉伸后显微组织的影响以及一重退火与二重退火工艺的不同对TC4热拉伸后显微组织的影响。

1 实验材料与方法

实验原材料所采用TC4合金锻态棒料，经金相法测得该合金的相变点为 995℃，原材料经相变点以上温度热处理后得到片层魏氏组织，如图 1 所示。

图1 TC4锻材原始显微组织Fig.1 Original microstructure of TC4 forging material

双相钛合金中的元素大致可分为α稳定元素、中性元素以及β稳定元素三类。TC4钛合金中，α稳定元素包含了Al、C、B，此类元素能提高(α+β)/β相变点。β稳定元素包含了V、Fe、Si、Mo、Ni、Cr，此类元素能降低(α+β)/β相变点。

本实验中原始材料的化学成分含量如表1所示：

表1 TC4钛合金的化学成分Tab.1 Chemical composition of TC4 titanium alloy

试验中对一重退火温度与二重退火温度均选取三个，具体的退火热处理方案如表2所示：

表2 退火热处理工艺Tab.2 Annealing heat treatment process

先把试样加工成棒状，再使用MTS LANDMARK万能试验机(拉伸速率为1 mm/min)进行热拉伸处理，拉伸变形温度为900℃，变形速率为1 mm/s，变形量为6%，达到预定变形量后即终止。用线切割机根据试样尺寸切取小试样，镶嵌后从80～1000#砂纸精磨后抛光至镜面，随后在HF+HNO3+H2O (体积比为 1∶2∶5)的混合溶液中腐蚀，超声清洗后使用光学显微镜对组织进行观察。

2 实验结果与分析

图2是TC4合金在进行900 ℃热拉伸变形后，通过光学显微镜分别进行低倍和高倍观察的组织图。

从图2中可以观察到变形后的TC4合金组织主要由长条状初生α相，层片状次生α相以及少量β相组成。与原样的魏氏组织(图1)相比，α相沿拉伸方向变扁，拉长，由于处于再结晶温度附近，长条状初生α相除了沿拉伸方向拉长或弯曲之外，还发生了一定程度的动态再结晶，但并不明显，有少量等轴α组织出现。

热拉伸变形后材料内部残余应力的产生，为了可以降低加工硬化的影响，使材料的性能得到更好的匹配，故对变形后的材料进行退火热处理，从而达到消除应力的目的。图3是双重退火工艺对热变形后TC4合金的显微组织图。

图2 900℃热变形后的TC4合金显微组织：(a) 500倍；(b) 1000倍Fig.2 Microstructure of TC4 alloy after hot deformation at 900°C: (a)500 times；(b)1000 times

(a)750℃; (b)750℃+500℃; (c) 800℃; (d) 800℃+500℃; (e) 850℃; (f) 850℃+500℃图3 不同退火工艺对热变形后TC4合金显微组织的影响Fig.3 Effect of different annealing processes on the microstructure of TC4 alloy after hot deformation

图3(a)、(c)、(e)是只经过不同温度一重退火后的组织图，如图所示，经过热拉伸后拉长的组织(图2)开始变短并长大，但仍有大量变形组织存在。由于TC4合金在变形后有大量的晶格畸变能，故一重退火时次生α条形核数量也增多，且交错排列。一重退火热处理温度为750℃时，组织尺寸较小，均匀性较差，这可能是由于局部变形不均匀引起的[11-12]。随着一重退火温度的升高，片层组织的厚度显著增大，大小较为均匀(图3(c)、(e))，低温退火的组织不均匀性随温度的升高而消失。图3(b)、(d)、(f)是经过双重退火后的组织图，如图所示，析出次生α相数量增多，尺寸增大，残留的变形组织也转变为短粗状α片层[13]，使组织得到一定程度的等轴化[14]。随着第一重退火温度的升高，初生α相尺寸有所增加，并且析出的次生α相数量增多，尺寸增大，和初生α相连成一片，得到典型的等轴α+晶间β组织。

在保持一重退火温度(800℃)相同的条件下，研究了不同二重退火温度对热变形TC4合金显微组织的影响。如图4所示，可观察到不同二重退火工艺热处理后的组织均为等轴α+晶间β组织，但是可明显观察到随二重退火温度的升高，α相尺寸逐渐增大。

(a) 800℃+480℃; (b) 800℃+500℃; (c) 800℃+520℃图4 不同二重退火温度后热变形TC4钛合金的显微组织Fig.4 Microstructure of hot deformed TC4 titanium alloy after different double annealing temperatures

钛合金的组织决定了性能，微观组织的不同对应力学性能的不同。通过热处理能够有效的调控钛合金组织形貌，使其获得组织性能的匹配。表3和表4分别是一重退火温度和二重退火温度对热拉伸变形后的TC4合金力学性能的影响。

表3 一重退火后变形TC4合金的力学性能Tab.3 Mechanical properties of deformed TC4 alloy after one annealing

从表3中可以看出，材料的强度随着退火温度的增加，明显下降且幅度较大。750 ℃退火时，屈服强度与抗拉强度分别达到766 Mpa、770.9 Mpa，而温度升高到850 ℃时，两者分别下降到698 Mpa、703.1 Mpa，下降率分别达到了8.88%和8.79%，而断面收缩率与伸长率明显增加，两者的增长率分别达到55.0%和8.62%。结合图2(a)、(c)、(e)中显微组织分析可知，这是由于一重退火温度较低时，α相组织尺寸较小，均匀性较差，随着退火温度的升高，片层α相组织尺寸明显长大且分布均匀。α片层厚度的增加会使材料的塑性增大[15]，所以随着一重退火温度的增加，材料的强度降低而塑性增加。

表4 二重退火后变形TC4合金的力学性能Tab.4 Mechanical properties of deformed TC4 alloy afterdual-annealing

在一重退火的基础上，对二重退火热处理后的力学性能做了进一步的研究对比。根据表4可知，750 ℃一重退火时，抗拉强度为770.9 Mpa，伸长率与断面收缩率分别为5.8%、10.9%，而再经500 ℃二重退火后，抗拉强度下降到531 Mpa，伸长率与断面收缩率分别增加到10.86%、15.69%。当一重退火温度不同时，结合表2可知材料经二重退火热处理(500 ℃ × 2 h,AC)后的强度整体比一重退火的低，且强度随一重退火温度的升高而降低。伸长率与断面收缩率整体随一重退火温度增加而增加。 800 ℃一重退火时，抗拉强度为721.2 Mpa，伸长率与断面收缩率分别为12.1%、5.8%，经不同二重退火后，材料强度整体也呈现下降趋势而伸长率与断面收缩率明显增加，且分别随二重温度增加呈现相同趋势。结合图2和图3的显微组织分析可知，二重热处理后初生α相尺寸有所增加，并且析出的次生α相数量增多，尺寸增大，和初生α相连成一片，得到典型的等轴α+晶间β组织，残留的变形组织转变的短粗状α片使组织得到一定程度的等轴化[16]。所以与一重热处理后的性能相比，二重退火后的材料强度降低，塑性升高。

3 结论

(1)一重退火温度为750 ℃时，TC4合金组织内部次生α条形核较多，分布较均匀，交错排列，有等轴化的趋势。随着退火温度的升高，组织尺寸增大，出现再结晶后的晶粒长大阶段，大小较为均匀。

(2)双重退火后，材料内部析出次生α相数量增多，尺寸增大。随着一重退火与二重退火温度的升高，初生α相尺寸有所增加，并且析出的次生α相数量增多，尺寸增大，和初生α相连成一片，得到典型的等轴α+晶间β组织。

(3)一重退火后，材料的强度随着退火温度的增加明显下降且幅度较大，而塑性增加。二重退火后的性能与一重退火相比，材料的强度整体有所降低，但塑性有很大的提升。