TC4ELI(ExtraLowInterstitial)鈦合金在TC4合金的基礎(chǔ)上,降低了間隙元素含量,提高了合金的斷裂韌度和裂紋擴(kuò)展速率[1-3]。該合金兼具低海洋浸泡腐蝕速率、高強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度Rm≥895MPa)以及良好的成形/焊接性能[4],現(xiàn)已成為深海耐壓殼體、艦船管路系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的優(yōu)選材料[5-6]。隨著海洋裝備服役環(huán)境日趨嚴(yán)苛,對(duì)TC4ELI鈦合金板材的低溫沖擊韌性(-20℃以下)及組織穩(wěn)定性提出了更高的技術(shù)要求。本文以艦船用厚度為24mm的TC4ELI鈦合金熱軋板材為研究對(duì)象,系統(tǒng)考察退火溫度(760~1000℃)對(duì)板材顯微組織演變及其室溫/低溫力學(xué)性能的影響規(guī)律,為制定板材熱處理協(xié)同工藝提供數(shù)據(jù)支撐。

1、試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)原材料為新疆湘潤(rùn)新材料科技有限公司提供的 TC4ELI 鈦合金熱軋態(tài)板材（厚度為 24 mm）：經(jīng) 3 次真空自耗電弧爐熔煉成 Φ689 mm 鑄錠，鑄錠經(jīng)多火次鍛造至厚度為 307 mm 的板坯，板坯在兩相區(qū)經(jīng)三火次軋制為厚度為 24 mm 的板材。相變溫度為 977℃，化學(xué)成分見(jiàn)表 1。

熱處理試驗(yàn)在馬弗爐中進(jìn)行，設(shè)置 5 組退火工藝參數(shù)（表 2）：溫度范圍為 760~1000℃，保溫時(shí)間為 1 h，空冷（Air Cooling, AC）至室溫。參照 GB/T 232-2024 [7]，在板材 1/4 厚度處截取試樣，取樣方向分別與軋制方向呈 0°（縱向）、90°（橫向），進(jìn)行以下測(cè)試：

表 1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分 (%, 質(zhì)量分?jǐn)?shù))

Table 1 Chemical compositions of test material (%, mass fraction)

Al	V	Fe	N	C	H	O	Ti
6.33	4.22	0.182	0.005	0.007	0.001	0.111	余量

表 2 試驗(yàn)熱處理制度

Table 2 Heat treatment system for test

序號(hào)	1#	2#	3#	4#	5#
熱處理制度	760 ℃/1 h, AC	840 ℃/1 h, AC	920 ℃/1 h, AC	960 ℃/1 h, AC	1000 ℃/1 h, AC

（1）室溫拉伸試驗(yàn)：按 GB/T 228.1-2021 [8] 制備 R7 標(biāo)準(zhǔn)試樣，測(cè)試速率為2mm.min^-1。

（2）沖擊試驗(yàn)：制備 10 mm×10 mm×55 mm 夏比 V 型缺口試樣，按 GB/T 229-2020 [9] 分別進(jìn)行室溫及 - 20℃低溫沖擊測(cè)試，缺口軸線垂直于軋制面。

（3）顯微組織分析：試樣經(jīng) Kroll 試劑（3% HF+6% HNO₃+91% H₂O）腐蝕后，使用光學(xué)顯微鏡觀察其組織形貌。沖擊斷口形貌通過(guò)掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）觀察。

表 1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分 (%, 質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 

Table 1 Chemical compositions of test material (%, mass fraction)

Al	V	Fe	N	C	H	O	Ti
6.33	4.22	0.182	0.005	0.007	0.001	0.111	余量

表 2 試驗(yàn)熱處理制度 

Table 2 Heat treatment system for test

序號(hào)	1#	2#	3#	4#	5#
熱處理制度	760 ℃/1 h, AC	840 ℃/1 h, AC	920 ℃/1 h, AC	960 ℃/1 h, AC	1000 ℃/1 h, AC

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 退火溫度對(duì)顯微組織的影響

按照表 2 的熱處理制度對(duì)試樣進(jìn)行熱處理，顯微組織見(jiàn)圖 1。圖 1a、圖 1b 和圖 1c 的組織形貌相似，均為等軸初生 α 相 +β 轉(zhuǎn)變組織，β 轉(zhuǎn)變組織由交錯(cuò)分布的次生 α 相和殘余 β 相組成；隨著退火溫度的升高，次生 α 相含量（即體積分?jǐn)?shù)，下同）由 25.9% 增加至 31.6%，片層結(jié)構(gòu)厚度約增加 89%（1.8 μm 至 3.4 μm）。當(dāng)退火溫度為 960℃時(shí)，初生 α 相大量分解，相含量?jī)H為（原文此處未明確數(shù)值，按原文保留），組織為晶界等軸初生 α 相 +β 轉(zhuǎn)變組織，β 轉(zhuǎn)變組織由晶內(nèi)細(xì)小片層次生 α 相集束和殘余 β 相組成；當(dāng)退火溫度達(dá)到 1000℃（超過(guò)β相相變點(diǎn)Tβ= 997℃）時(shí)，初生 α 相完全溶解，形成粗大的魏氏組織，見(jiàn)圖 1e。

2.2 退火溫度對(duì)沖擊性能和拉伸性能的影響

按照表 2 的熱處理制度對(duì)試樣進(jìn)行熱處理，TC4ELI 鈦合金板材的力學(xué)性能見(jiàn)表 3，沖擊斷口宏觀形貌見(jiàn)圖 2，室溫沖擊斷口微觀形貌見(jiàn)圖 3，-20℃沖擊斷口微觀形貌見(jiàn)圖 4。

表 3 退火后 TC4ELI 鈦合金板材的力學(xué)性能

Table 3 Mechanical properties of TC4ELI titanium alloy plate after annealing

序號(hào)	熱處理制度	抗拉強(qiáng)度Rm/MPa	規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2/MPa	伸長(zhǎng)率 A/%	斷面收縮率 Z/%	室溫 (20℃) 沖擊功 / J	-20℃沖擊功 / J
1#	760℃/1 h, AC	956	885	16.3	46.0	31.6	28.2
2#	840℃/1 h, AC	954	882	16.0	46.0	34.2	41.2
3#	920℃/1 h, AC	950	859	16.3	46.0	47.3	40.2
4#	960℃/1 h, AC	957	839	16.0	45.5	44.0	39.2
5#	1000℃/1 h, AC	964	835	9.0	13.0	41.3	39.5

板材沖擊性能隨退火溫度的變化趨勢(shì)如圖 5b 所示。

室溫沖擊和 - 20℃沖擊功隨著退火溫度變化趨勢(shì)是一致的。920℃退火時(shí)，室溫和 - 20℃沖擊功達(dá)到峰值，分別為 47.3 J 和 40.2 J。圖 2a~ 圖 2d、圖 2f~ 圖 2i 斷口呈灰色，均由纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇組成，發(fā)生韌性斷裂；圖 2e 和圖 2j 斷口為發(fā)亮灰色結(jié)晶狀，斷裂機(jī)理為穿晶解理，發(fā)生脆斷。隨著退火溫度的升高，宏觀斷口的粗糙度逐漸增大。

圖 3 和圖 4 顯示，隨著退火溫度的升高（圖 3a~ 圖 3d、圖 4a~ 圖 4d），斷口形貌無(wú)較大差異，斷口均存在大量尺寸各異的等軸韌窩，韌窩之間相互纏結(jié)，以網(wǎng)狀的形式排布，大韌窩的邊緣有一定數(shù)量的小韌窩 [10-11]；當(dāng)退火溫度達(dá)到 β 相相變點(diǎn)β以上時(shí)，斷口形貌發(fā)生明顯變化，圖 3e 的韌窩數(shù)量少而深度淺、顯微組織明顯粗大；圖 4e 的解理斷口呈河流花樣，周圍存在少量韌窩。

板材室溫拉伸性能隨退火溫度升高的變化趨勢(shì)如圖 5a 所示。可以看出，不同退火溫度下板材抗拉強(qiáng)度Rm差異不大，在 950~964 MPa 之間；規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2隨著退火溫度的升高，由 885 MPa 降低至 835 MPa；在 β 相相變點(diǎn)以下退火時(shí)，板材的伸長(zhǎng)率 A 和斷面收縮率 Z 變化不大；在 β 相相變點(diǎn)以上退火時(shí)，板材塑性急劇下降，其中，伸長(zhǎng)率由 16% 降至 9%，斷面收縮率由 46% 降至 13%。

董曉鋒等 [11]、劉睿等 [12]、Niinomi M 等 [13] 等研究證實(shí)，對(duì)于兩相鈦合金斷裂過(guò)程，初生 α 相是裂紋萌生源及擴(kuò)展通道；材料的斷裂韌性正比于初生 α 相內(nèi)部平均自由程，而（原文此處 “圖 圖” 表述不完整，按原文保留）的初生 α 相差不大，因此合理推測(cè)斷裂韌性除了初生 α 相含量這一影響因素之外，還有其他因素。對(duì)比觀察圖 2c、圖 3c 和圖 4c，可以推測(cè)出，在沖擊斷裂過(guò)程中，寬厚的片層狀次生 α 相改變了裂紋擴(kuò)展的方向，使其不斷進(jìn)行路徑分支，所以沖擊功最大。劉睿等 [12] 認(rèn)為，具有初生 α 相 +β 轉(zhuǎn)變組織特征的 TC4 鈦合金的動(dòng)態(tài)斷裂韌性受到初生 α 相和次生 α 相片層的交互影響。董曉峰等 [11] 也認(rèn)為，編織狀多尺度片層組織中裂紋的擴(kuò)展出現(xiàn)較多的偏轉(zhuǎn)和二次裂紋，提高了合金的抗裂紋擴(kuò)展能力。片層 α 相在取向有利的情況下，能夠提高裂紋的擴(kuò)展功，具有較為曲折的裂紋擴(kuò)展路徑，出現(xiàn)裂紋繞過(guò)和穿過(guò)片層次生 α 相集束的現(xiàn)象。

表 3 退火后 TC4ELI 鈦合金板材的力學(xué)性能 

Table 3 Mechanical properties of TC4ELI titanium alloy plate after annealing

序號(hào)	熱處理制度	抗拉強(qiáng)度Rm/MPa	規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2/MPa	伸長(zhǎng)率 A/%	斷面收縮率 Z/%	室溫 (20℃) 沖擊功 / J	-20℃沖擊功 / J
1#	760℃/1 h, AC	956	885	16.3	46.0	31.6	28.2
2#	840℃/1 h, AC	954	882	16.0	46.0	34.2	41.2
3#	920℃/1 h, AC	950	859	16.3	46.0	47.3	40.2
4#	960℃/1 h, AC	957	839	16.0	45.5	44.0	39.2
5#	1000℃/1 h, AC	964	835	9.0	13.0	41.3	39.5

3、結(jié)論

在 β 相相變點(diǎn)以下退火，溫度對(duì) TC4ELI 鈦合金板材的強(qiáng)度和塑性影響不大；β 相相變點(diǎn)以上退火，板材強(qiáng)度變化不大，但由于魏氏組織導(dǎo)致材料變形協(xié)調(diào)性差、塑性急劇降低。

在 920℃以下退火時(shí)，初生 α 相含量差異不大，次生 α 相含量小幅度增加，次生 α 相片層厚度增大。

TC4ELI 鈦合金板材的室溫和 - 20℃沖擊性能隨著退火溫度的升高呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢(shì)，920℃退火時(shí)，室溫和 - 20℃沖擊功達(dá)到峰值。次生 α 相的含量和結(jié)構(gòu)對(duì)板材沖擊性能具有顯著影響，在沖擊斷裂過(guò)程中，寬厚的片層狀次生 α 相改變了裂紋擴(kuò)展的方向，不斷進(jìn)行路徑分支，因此，沖擊功增加。

在 840~920℃退火，板材的室溫拉伸、室溫沖擊和低溫沖擊性能匹配良好。

參考文獻(xiàn)

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[13] Niinomi M, Kobayashi T. The effect of heat treatments on microstructure and mechanical properties of TC4 titanium alloy [J]. Rare Metal Materials and Engineering, 1988, 100: 45-55.

（注，原文標(biāo)題：退火溫度對(duì)TC4ELI鈦合金板材組織性能的影響）

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tag標(biāo)簽:退火溫度,TC4ELI鈦合金,顯微組織,低溫沖擊韌性,影響規(guī)律,機(jī)理研究

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