宝鸡钛业股份有限公司 张智鑫 庞 洪 陈海涛 王红武

TC4钛合金属于α+β两相钛合金，与其他两相钛合金一样具有较高的比强度和热强性，较好的综合力学性能和耐蚀性，以及良好的生物相容性，在航空航天航海领域和医学领域得到广泛应用。TC4钛合金在室温下塑性较低、变形困难，其应用曾一度受到限制。研究表明，超塑用TC4钛合金在温度范围为850～950℃，应变速率范围为10-4～10-2/s-1时，呈现良好的超塑性[1]。利用材料的超塑性可以成形在常温条件下无法成形的零件，即超塑成形。但批量生产的超塑用TC4钛合金板材显微组织中往往存在高应力组织、畸变组织、拉长组织或大块组织等组织缺陷，这些缺陷不仅会降低结构件的强度、塑性和疲劳强度等性能，还会严重影响TC4板材的超塑成形[2]。因此，研究TC4钛合金板材的退火工艺，优化退火态组织，对超塑TC4板材的推广和应用有重要意义。

本试验通过控制冷轧加工率和调整再结晶退火制度，对超塑用TC4板材进行晶粒细化、等轴化、室温力学性能优化以及超塑性能研究。

2 试验方法

本试验用真空自耗电弧炉3次熔炼TC4钛合金铸锭，其β转变温度为985～995℃，具体化学成分见表1。铸锭经3150t锻造机锻成板坯，板坯经1200mm四辊可逆式热轧轧制并退火后，在1200mm四辊可逆式冷轧机进行18%和30%不同冷轧加工率加工，成品退火后测试其性能优化工艺，并测试优化后TC4板材的超塑性能。

表1 TC4合金锭的化学成分（质量分数）%

材料显微组织在Axiovert200MAT光学显微镜下观测，力学性能在Instron5885拉伸试验机上进行测试。

3 结果讨论

3.1 两种冷轧加工率TC4板材组织对比

经18%和30%不同冷轧加工率轧制成板材，分别观察硬态组织和820℃保温60min退火态组织，如图1、2所示。

从图1可以看出增加冷轧加工率至30%，板材微观组织拉长破碎明显（见图1（b）），这种组织形变储能大，畸变组织多，有利于再结晶形核，退火后易得到细小均匀组织。图2为两种冷轧加工率板材相应的再结晶退火组织，平均晶粒尺寸分别为4.7μm和3.3μm。从形貌上看，两者均由α相和β基体组成图，其中图2（b）α晶粒更加细小、均匀。

图1 不同冷轧加工率TC4板材的硬态显微组织Fig.1 Microstructures of cold rolling plates with different deformation

图2 不同冷轧加工率TC4板材820℃保温60min退火显微组织Fig.2 Microstructures of plates annealed at 820℃ for 60min with different cold rolling deformation

综上，说明增加冷轧加工率至30%，有利于得到细小均匀的再结晶组织。而细小、等轴和稳定的组织有利于提高材料的超塑性，晶粒尺寸对超塑性影响很大[3]。

3.2 不同退火工艺TC4板材组织和性能优化

选择经30%大加工率轧制TC4板材进行退火试验。本试验以20℃为间隔，820～940℃保温60min退火，观察各退火制度下显微组织和晶粒尺寸，如图3所示。

从图3（a）～（g）可以看出，在相同退火时间下，随着温度的升高TC4板材的组织逐渐均匀化、等轴化，拉长畸变组织逐渐减少，晶粒尺寸从3.3μm逐渐增大至6.2μm，但保持在超塑成形所需的晶粒尺寸（≤10μm）范围内[4]，如图3（h）。从相组成上看，随着温度升高，β相逐渐增多，α相逐渐减少，次生α相逐渐形成。820℃退火时β相弥散分布，尺寸较小；940℃退火时β相增多，α相减少，次生片状α相明显增多，初生α晶粒等轴化程度提高。

图3 经不同温度退火保温60min的TC4板材的纵向显微组织Fig.3 Longitudinal-direction microstructures of TC4 plates annealed at different temperatures for 60min

为了获得良好的超塑性，综合考虑晶粒尺寸和组织均匀性，得出840～880℃退火组织均匀性好，无残余冷加工畸变组织，晶粒尺寸为4.1～5.3μm，晶粒尺寸较小。这主要是因为超塑变形不同于一般金属塑性变形，晶内滑移、孪晶等塑性变形机制对总变形量贡献很小，而主要变形方式是晶界行为，所以数量多而短的晶粒边界和平坦的界面有利于变形流动，减小组织内部剪切阻力[5]。

图4为不同温度保温60min退火后TC4板材的室温力学性能。退火温度在820～860℃范围时，强度逐渐减小但变化不大，延伸率略有提高，主要是因为温度升高使α组织均匀化、等轴化，α晶粒尺寸逐渐增大，细晶强化减弱，强度下降。当退火温度升至880℃时，强度迅速增加，延伸率迅速降低，主要是因为次生α增多，片层α厚度和有序度增加，导致材料强度提高塑性下降[6]。当退火温度达到900℃时材料发生脆性断裂，这主要是因为高温退火使β相占主导，空冷后室温非平衡组织增多，材料脆化。

3.3 TC4板材超塑性

通过对超塑TC4板材进行冷轧加工率和组织优化，选择工艺优化后的板材（26.3%冷变形+860℃/60min退火）进行超塑性能测试，试验条件为： 870℃，应变速率ε=2.4×10-3/s。

图4 TC4板材的力学性能与退火温度的关系曲线Fig.4 Dependence of TC4 mechanical property on annealing temperature

表2 TC4板材的超塑性能

4 结论

（1）增加冷轧加工率，经840～880℃退火，有利于超塑用TC4板材得到均匀、无畸变、细小的再结晶组织，晶粒尺寸为4.1～5.3μm。（2）在820～860℃保温1h热处理，超塑用TC4板材的室温良好，强度为1065～1048MPa，延伸率为17%～18.5%。（3）大冷轧加工率和中高温热处理后，超塑TC4板材在870℃，应变速率为2.4×10-3/s时，延伸率可达到894%。

[1] 李瑞婷，郭伟，朱颖．TC4钛合金超塑成形研究现状及其发展展望.航空制造技术，2012 (15)：91-93．

[2] 王敏，郭鸿镇．TC4钛合金晶粒细化及超塑性研究.塑性工程学报，2008，15(4)：155-159．

[3] Suh S D， Zong Y Y， Shan D B．Hot deformation behavior and microstructure evolution of TC4 titanium alloy. Tansactions of Nonferrous Metals Society of China，2010(20)：2181-2184．

[4] 朱桂双，宗影影，单德彬．晶粒尺寸对TC4钛合金高温变形行为的影响//第三届国际塑性加工先进及时研讨会论文集.南昌：中国机械工程学会塑性工程学会, 2007．

[5] 吴诗惇．金属超塑性变形理论.北京：国防工业出版社，1997：37-39．

[6] 薛强，彭雯雯，曾卫东．α形态与含量对TA15钛合金力学性能的影响.钛工业进展，2015，32(2)：14-15．