鈦（Ti）及其合金憑借高比強度、卓越的耐腐蝕性、寬廣的使用溫度范圍以及優良的焊接性等在航空航天、船舶、軍事及生物醫學等眾多高性能和先進的工程領域中得到了廣泛應用 [4]。BT22 鈦合金，即中國牌號為TC18的鈦合金，由蘇聯于 20 世紀 60 年代開發，其名義成分為 Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe。TC18鈦合金作為一種近 β 型鈦合金，具備高強高韌、良好的淬透性和高退火強度等特點，使其成為航空領域大型承力構件制造的優選材料之一 [5]。

隨著航空工業的迅猛發展，對于鈦合金航空承力結構件的要求日益嚴格，整體化、大型化的結構件成為其未來的發展趨勢。這種整體成型的工件不僅能夠有效簡化生產制造流程，降低生產成本，而且對于保證鈦合金構件的結構完整性具有重要意義 [6]。在此背景下，大尺寸原始材料的制造以及對其性能的精準把控面臨著更高的要求。

目前，眾多學者圍繞TC18鈦合金的鍛造工藝、熱變形參數及組織性能等方面進行了廣泛研究。喬恩利等 [11] 針對不同鍛造工藝對TC18鈦合金棒材組織和性能的影響展開了深入探討；顏孟奇等 [12] 研究了熱變形參數對直徑 300mm 的TC18鈦合金棒材組織及織構演變規律；熊智豪等 [13] 則對胚料 585mmTC18鈦合金棒材在不同火次鍛造過程中 β 相織構的演變規律進行了分析。然而，大尺寸棒材在生產過程中普遍存在組織均勻性與力學性能穩定性難以精確控制的技術難題，且由于尺寸效應的存在，300/585mm 棒材的研究成果無法通過簡單外推直接應用于 400mm 規格棒材的工藝優化。

為此，本文利用掃描電子顯微鏡觀察 400mm 大尺寸TC18鈦合金棒材芯表橫縱 4 個位置的顯微組織，并對其拉伸性能進行測試，同時對斷口及斷口剖面進行表征分析。通過系統地研究TC18鈦合金組織 — 性能 — 斷口的匹配關系，旨在為優化大尺寸棒材TC18鈦合金的組織和性能提供有價值的參考依據，以滿足航空工業對大型化、高性能鈦合金承力結構件的需求。

1、實驗材料與方法

實驗材料為鍛造態TC18鈦合金棒材，直徑為 400mm。棒材經熔煉和多火次鍛造而成，TC18鈦合金化學成分如表 1 所示，β 轉變溫度T_β=(±875+5)℃

通過線切割分別對棒材芯表位置的橫縱方向取樣（圖 1），進行組織觀察和拉伸性能測試。邊緣試樣的取樣位置距離棒材的最外表面約 20mm，芯部試樣在以棒材幾何中心為圓心、半徑 80mm 的區域內取樣。

拉伸試驗參照 GB/T228.1-2021《金屬材料拉伸試驗 第 1 部分：室溫試驗方法》在 MTS LANDMARK 萬能試驗機上進行，拉伸速率為 0.45mm/min。后續對拉伸試樣剖面也進行了顯微組織觀測。試樣經砂紙打磨、拋光和腐蝕（腐蝕劑體積比為 HF:HNO₃:H₂O=1:3:6），采用德國蔡司的 ZEISS SURPA 40 型號場發射掃描電子顯微鏡（SEM）進行顯微組織、斷口及其剖面的觀察。

表 1TC18鈦合金化學成分

（Tab.1 Chemical composition of theTC18titanium alloy）

（mass fraction/%）

元素	Al	Mo	V	Cr	Ti
質量分數	5.25	5.2	5.1	1.1	Bal.

2、實驗結果與討論

2.1 顯微組織特點

圖 2 顯示了邊橫（ET）、邊縱（EL）、中橫（CT）和中縱（CL）4 種不同取樣位置的 SEM 像。從圖中可以看出，不同試樣的顯微組織十分接近，均由等軸狀的初生α_p相、細小針狀的次生α_s相以及 β 基體組成。其中，α_p和α_s相均勻分布在 β 基體中，從形貌圖中沒有觀察到析出相有明顯的形貌和尺寸差異（圖 2）。

表 2 列出了各試樣相應微觀結構的定量特征。對于α_p相，相對于取向為橫向的試樣（ET、CT），取向為縱向（EL、CL）的試樣中等軸α_p相含量的絕對體積分數均增加約 5 個百分點（達到 30% 左右的體積分數），直徑相差不到 0.25μm。對于α_s相，邊緣試樣的長度和寬度均小于芯部試樣，分別相差約 100nm 和 21nm。此外，基體中的α（α_p、α_s）相呈均勻分布。

表 2 微結構定量尺寸參數

（Tab.2 Quantitative parameters of the microstructure）

試樣	αp/ %	Average size ofαp/ μm	Average length ofαs/ nm	Average width ofαs/ nm
ET	25.289	2.923	89.7	0.73
EL	30.168	2.826	71.8	0.71
CT	25.796	2.736	98.5	0.83
CL	30.542	2.689	82.3	0.87

2.2 拉伸性能

對TC18鈦合金 4 種試樣進行拉伸性能測試，合金拉伸試驗的工程應力 - 應變曲線和相應的拉伸性能如圖 3（a~c）和表 3 所示。

ET 試樣顯示出較高的強度（屈服強度為 1142MPa，抗拉強度為 1230MPa）和略低的塑性（伸長率為 10.2%，斷面收縮率為 22±4%），這是因為其細小片層α_s相的強化作用。EL 試樣強度和塑性分別為：屈服強度 1105MPa，抗拉強度 1191MPa，伸長率 14.9%，斷面收縮率 38.4%。可以看出邊緣試樣塑性 EL 比 ET 高（伸長率相差 4.7%），而 ET 比 EL 試樣屈服強度約高 37MPa。

同樣，CT 試樣比 CL 試樣屈服強度高約 15MPa（CT 為 1089±21MPa，CL 為 1075±15MPa），伸長率相差 6.3%（CT 為 10.9±1.5%，CL 為 16.5±1.7%）。值得注意的是，邊部試樣的強度均比芯部試樣高，而縱向試樣的塑性整體明顯比橫向試樣高，可能歸因于縱向試樣等軸α_p相含量較高 [15]。

表 3 不同位置TC18鈦合金的力學性能

（Tab.3 The mechanical properties of theTC18titanium alloy at different positions）

試樣	YS / MPa	UTS / MPa	El / %	RA / %
ET	1142±18	1230±21	10.2±1.2	22±4
EL	1105±16	1191±15	14.9±1.4	38.4±3.2
CT	1089±21	1179±19	10.9±1.5	25.3±2.8
CL	1075±15	1159±13	16.5±1.7	42.1±3.5

2.3 斷口形貌

根據上述拉伸性能的結果，對 4 種試樣斷口形貌進行表征，如圖 4 所示。其中，a₁、b₁、c₁、d₁為斷口低倍宏觀形貌；a₂、b₂、c₂、d₂為中心區域（黃框）高倍形貌；a₃、b₃、c₃、d₃為邊緣區域（紅框）高倍形貌。

從圖中可以看出，4 種試樣斷口均由大量韌窩組成，為典型的韌性斷裂。圖 4a₁中 ET 試樣斷口呈現不規則形狀，存在明顯的高低起伏區域，但其中心區域由大量韌窩組成（圖 4a₂），不規則的韌窩分布和應力集中形成的空洞是其塑性差的主要原因 [17]。CT 試樣斷口有大量韌窩，不均勻變形導致稀疏分布的空洞形成，成為裂紋的萌生點（圖 4c₂）。

由圖 4b₁和 d₁可知，明顯的頸縮和曲折的斷口形貌證明 EL 和 CL 試樣斷裂前經歷大量的塑性變形。結合高倍圖 4b₃和 d₃觀察，可看到 EL 和 CL 試樣剪切唇區域剪切拉長的韌窩。圖 4b₂和 d₂表明，與 ET 和 CT 試樣不同，EL 和 CL 并沒有明顯成核質點，僅由大量均勻分布的韌窩和其生長、合并的較大凹坑組成，表明其良好的塑性表現歸因于均勻的變形。

2.4 剖面組織

如圖 5 所示，對強塑性相差較大的 CL 和 ET 試樣進行剖面表征，以進一步研究試樣的斷裂機制及組織對強塑性的影響規律。眾所周知，應變失配和應力集中是裂紋擴展的根源，這是由于應變失配和應力集中會驅動空隙或微裂紋的形成。

由圖 5a~c 可得出，CL 試樣中空洞的形成主要有 3 種：①等軸α_p相內部應力集中及載荷作用下滑移帶相互交叉而形成 [19-20]；②在α_p相與 β 相界面處，由于α_p相與 β 相的硬度和變形優先級的差異導致大量位錯塞積后應力集中而形成空洞 [7]；③硬質α_s相會嚴重阻礙位錯的運動，進而導致位錯塞積后應力集中而形成空洞。在變形過程中，裂紋起源于空位并沿著空隙擴大，最終導致拉伸過載發生斷裂。

與 CL 試樣相比，ET 試樣空洞的產生主要是第②和第③種方式（圖 5d~f）。此外，TC18鈦合金中α_p相對應較高的塑性及疲勞性能，α_s相一般為細小針狀，主要起到析出強化作用 [21-22]。結合表 2，CL 試樣的α_p相體積分數比 ET 試樣高約 5%，但 ET 試樣的α_s相更為細小。因此，細小硬質的α_s相和獨特的空洞產生方式使 ET 試樣具有更高的強度，更高占比的等軸α_p相和綜合的空洞產生方式使 CL 試樣的強塑性獲得優異的匹配。

3、結論

（1）400mmTC18鈦合金棒材不同位置試樣均由等軸α_p相、片層α_s相和 β 相組成，等軸α_p相和片層α_s相均勻分布在 β 相中，兩相尺寸相差較小；縱向試樣（EL、CL）等軸α_p相含量比橫向試樣（ET、CT）高約 5%，邊緣試樣（ET、EL）片狀α_s相的長度和寬度均小于芯部試樣（CT、CL）。

（2）棒材邊緣試樣強度均比芯部試樣高，其中 ET 試樣強度最高（抗拉強度達到 1230MPa）；縱向試樣塑性均比橫向試樣高，其中 CL 試樣伸長率最高（16.5%）；EL 試樣的強塑性匹配最好（屈服強度 1105MPa，抗拉強度 1191MPa，伸長率 14.9%）。

（3）所有試樣斷口均由大量韌窩組成，發生韌性斷裂；應力集中導致部分成核質點和微裂紋的存在，造成橫向試樣（ET、CT）塑性較差；斷口剖面中發現等軸α_p相內、α_p相與 β 相界面處和 β 相內部 3 種空洞形核位點。

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（注，原文標題：高強鈦合金大尺寸棒材芯表橫縱的組織與性能研究）

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