钛合金具有密度小、比强度高、耐蚀性好、无磁性等优异的性能，TC4钛合金即Ti-6Al-4V，是一种应用最为常用的钛合金，它在所有钛合金牌号中占60%左右。目前TC4钛合金在飞机上的应用一般都是退火状态的，而淬火+时效处理的钛合金应用较少，TC4合金的淬火+时效处理可以提高合金的强度、塑性等力学性能，从而更能发挥钛合金的优越性，在航空、航天、化工、舰船、汽车、兵器、体育、医疗等领域都有宽阔的应用空间。然而钛合金较高的成本限制了其应用范围，因此，低成本钛合金的研发以及钛合金的低成本化制备技术仍然是当前最重要的研究热点。

 

通过对TC4钛合金进行两相区淬火+时效处理，观察分析了不同工艺处理后的显微组织，并进行了拉伸、冲击试验，探讨淬火、时效温度对其组织和力学性能的影响。结果表明，合金的显微组织随淬火温度和时效温度升高粗化。合金强度随淬火温度升高先增加后降低，合金的塑性、冲击韧性随淬火温度升高不断降低；在相同淬火温度下，合金的强度随时效温度升高而降低，合金的塑性、冲击韧性随时效温度的升高先增加后降低。

 

本文主要研究电子束冷床炉（EBCHM）熔炼TC4钛合金扁锭直接轧制板材在变形及退火过程中的组织和性能，揭示了板材显微组织的演化规律及其室温力学性能的变化规律，得到板材强度与塑性最佳匹配的退火制度，旨在为该合金板材的工业化批量生产提供依据。

 

1.试验材料与方法

利用海绵钛、钛合金返回料等原料在电子束冷床炉上熔炼出270×1085×5000 mmTC4钛合金扁锭，其化学成分符合GB/T 3620.1-2007标准要求，金相法测得其β转变温度为974 ℃。铸锭经处理后在1200 mm四辊可逆热轧机列上在相变点以下20～50 ℃采用。

2.试验结果与讨论

2.1  变形过程中板材的组织与性能

为经不同火次变形后TC4钛板的显微组织照片。可见电子束冷床炉熔炼的TC4钛合金扁锭晶粒粗大，晶内为树枝晶组织。经一火变形后，铸态的树枝晶组织被破碎，形成柱状组织。经两火变形后，粗大的晶粒破碎为细小晶粒。

2.2  退火处理后板材的组织与性能

钛板经720～950 ℃/1h，AC退火后的显微组织。从图中可以看出，当退火温度较低时（720～820）℃，虽然显微组织发生一些变化，但仍然以棒状或等轴状α+β转变组织为主，晶粒尺寸大小和形态十分相似（见图2a～d）。随着退火温度从820 ℃继续升高，板材显微组织较低温时发生明显变化。

3.结论

（1）随着轧制变形火次的增加，电子束冷床炉熔炼的TC4钛合金扁锭粗大的铸态晶粒被破碎，枝晶组织转变为α组织，板材的室温力学性能显著提高；

（2）TC4钛板退火后，组织更加均匀等轴化，随着温度的升高，析出次生片状α相，初生α含量增多；钛板材的抗拉强度呈现先升后降的趋势，屈服强度和断面收缩率总体呈现上升趋势，而延伸率则变化不大；

（3）经退火处理后，可获得强度与塑性的最优匹配。

 

按TC4成分进行配料，经压制、焊接成自耗电极后，进行两次真空自耗熔炼，制得Φ520mm铸锭。经锻造或轧制后制得三种初始组织的钛棒坯。样品经过900~1080℃固溶处理后，再经500~650℃时效处理。经过试验分析后，发现试样强度随固溶温度的升高而升高，但超过相变点后，强度有所下降，而塑性则随固溶温度升高明显降低。随时效温度升高，等轴α相尺寸大大增大，含量基本无变化，在550℃时效的样品获得了最大的强化效果。在相同的时效温度(600℃)下，延长时效时间抗拉强度明显提高，但屈服强度基本保持稳定，塑性有恶化趋势。通过热处理形成的等轴α相有利于提高塑性指标，形成的次生条状α相有利于提高强度指标。