退火温度对TC4钛合金薄壁环材冲击韧性的影响

前言

TC4属于典型的α+β型钛合金，具有比强度高，且耐腐蚀性好，可热处理强化，密度为4.5g/mm³，TC4钛合金占钛合金总产量50%，对其长时间的深入研究，其生产工艺成熟，被广泛应用于航空、航天、医疗等领域，但是由于TC4钛合金的抗冲击韧性较差严重限制了其更广泛应用，有关TC4钛合金的冲击韧性研究报道较少；常温时TC4钛合金由α和β两相组成，可对其进行退火、固溶和时效方式的热处理[1]，不同的热处理工艺可以获得不同的相组成和显微组织，在普通退火状态下，片状组织的力学性能优于双态组织，但在高应力区，双态组织的力学性能优于片状组织气所以，控制TC4钛合金的显微组织和晶粒尺寸对其材料性能具有重要的意义。本文利用宝钛集团科研课题资金支持，通过本文过对TC4薄壁环材的退火温度、显微组织和冲击韧性进行分析，以探讨退火温度对其抗冲击韧性的影响。

1、实验材料与方法

1.1实验材料

选用宝钛股份有限公司生产的φ720mm铸锭，经三次真空电弧炉熔炼，化学成分和相变点见表1;通过开坯-制坯-冲孔-扩孔-芯轴拔长等工艺生产出满足机加要求的环坯，机加工后取弦向试样，按照热处理方案处理后进行aKv₂冲击试验，具体热处理工艺见表2:

1.2实验方法

在环坯上按照合适尺寸进行下料后，在环材弦向取样，加工成为10mmx10mmx55mm的Charpy冲击试样，缺口类型为V型，开口位置分别在环材的外表面和端面，冲击韧性试验采用JNS-300金属摆钟式试验机，试样的显微组织在ZEISSAxlover200MAT光学显微镜进行检测，断口形貌在日本电子JSM480型电子显微镜行进观察，金相试样所用腐蚀液为10%HN〇₃+5%HF+85%H₂〇。

2、试验结果与分析

2.1冲击韧性

在环材弦向切取冲击试样，开口方向垂直于环材端面(见图1)，每组试验使用3个平行试样，结果取平均值，具体数据见图2，以往TC4环材的aKv₂冲击功在20-32J/cm²之间，且由于V型开口的敏感性致使冲击功检测数据离散较大，很难用统一的标准范围进行规范要求，本文通过对四组不同退火制度的试验来测量aKv₂冲击功，具体退火温度和冲击功的关系如图2。

2.2显微组织和断口形貌

在环材上切取弦向高倍和冲击试样，按照表1的热处理方案进行热处理，测试其冲击开口方向的冲击值，并分析其显微组织、冲击试样断口宏观形貌和试样断口SEM形貌，具体见图3-5。

环材显微组织为两相区加工组织，初生球状α相和β转，弦向显微组织均匀，初生α含量为15-25%，直径10~25μm，随着退火温度的提高，球状α相之间的距离未发生明显变化，β转变组织中次生α含量逐渐增加，由弥散小岛状变为连续的网状结构，与初生α形成交互组织，网状结构随着退火温度提高逐渐变粗，尺寸为5-10微米，较少的初生α含量减少裂纹萌生，网状次生α和初生α交互裂纹扩展将不断改 变方向，导致裂纹路径曲折、分枝多，因而冲击韧性韧性好[3]。

环材冲击试样宏观断口形貌见图3中，四个热处理制度后试样经冲击试验后得到的均为韧性断裂，冲击断口呈灰色，均可分为3个区域，纤维区、放射区以及剪切区。冲击试样的宏观断口表面较为平直，纤维区所占面积较大。这也可以定性地反映试样冲击韧性的好坏[4];断口表面沟槽分布流线较为明显，试样的撕裂棱与裂纹扩展方向垂直，与环材金属流向完全一致。说明加工流线与显微组织中初生形貌及分布情况对冲击裂纹的扩展存在一定的影响，随着退火温度的提高，宏观断口的粗糙度逐渐增大，但是暗度并未明显增加；断口SEM抛物线型韧窝增多，韧窝深度变化不明显，大韧窝周围的小韧窝的数量增加，韧窝直径约5-20微米，图3和图5放大倍数相同，由此可以推断小韧窝的增加是退火温度提高导致次生α含量增加和次生α网状结构变厚有关，次生α与初生α形成交互组织提高环材的aKv₂冲击性能。

3、结束语

(1)随着退火温度的提高，(β转含量增加和次生α网状结构变厚，改变了裂纹长大和进展方向从而增加了裂纹扩展路径，从而使TC4钛环材的aKv₂冲击性能得到提高。

(2)退火温度的提高增加了宏观断口粗糙度，次生α网状结构变厚致使断口SEM形貌上细小韧窝数目增加，从而使冲击韧性得到了提高。

(3)通过对退火温度的调整，薄壁环材的aKv₂冲击性能较现有的冲击性能检测值有了明显的提高。

参考文献：

[1]顾晓辉，刘君，石继红.泮火、时效温度对TC4钛合金组织和力学性能的影响[J].金属热处理，2011，36(2):29-33.

[2]王敏，郭鸿镇.TC4钛合金晶粒细化及超塑性研究[J].塑性工程学报，2008,15(4)：155-158.

[3]周义刚，曾卫东，李晓芽，等.钛合金高温形变强韧化机理[J].金属学报，1999(1).

[4]岳旭，马龙，等.锻造工艺及氧含量对TC4薄壁环材冲击韧性的影响[C].2016年世界钛会.

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