热处理对TC4 钛合金板材韧性的影响

供稿|高飞，雷挺，苗阳，齐航，巨朝飞 / GAO Fei, LEI Ting, MIAO Yang, QI Hang, JU Chao-fei

内容导读

本文研究了低间隙和高氧TC4 板材在经不同热处理温度退火后的冲击韧性、显微组织和裂纹扩展速率，得到热处理温度对板材韧性的影响规律。结果表明：TC4 板材经780 ℃热处理后显微组织类型为初生等轴状及长条状α+次生α+β 转变组织，冲击韧性低，裂纹扩展速率高；经900~940 ℃热处理后显微组织类型为双态组织，冲击韧性高，裂纹扩展速率低。此外，降低氧含量会显著提高板材冲击韧性，降低板材裂纹扩展速率。

TC4(Ti-6Al-4V)是目前用量最大、用途最为广泛的钛合金。通过不同的加工工艺改变TC4 板材的显微组织形貌，并使材料呈现出多样化的性能特点，对于深入挖掘材料性能潜能，扩大材料应用场景有较大意义。材料韧性是材料变形时吸收能量的能力，常用冲击韧性和断裂韧性指标来表征材料韧性的优劣[1]。本文通过对低间隙和高氧TC4 板材进行不同热处理温度退火，研究了热处理温度对板材冲击韧性、显微组织和裂纹扩展速率的影响规律。

实验方法

实验材料

本研究采用热轧工艺生产的两批次厚度10 mm TC4 板材，两批次板材分别编号为板材A、B。板材A 为低间隙(ELI)TC4 成分，板材B 为高氧TC4成分(化学成分见表1)。板材热轧至10 mm 后未经热处理，以热轧状态采用水切割方式取试样坯。

表1 TC4 板材化学成分(质量分数，%)

板材热处理

使用高精度箱式热处理炉(±2 ℃)对试样坯进行热处理，选取TC4 再结晶温度范围进行再结晶退火热处理(见表2)，热处理时间均为60 min，冷却方式为空气冷却。

表2 板材热处理温度

性能测试

测试板材冲击韧性和裂纹扩展速率以表征板材韧性，其中板材冲击韧性实验方法执行GB/T 229—2007，测试方向为横向，每个热处理制度测试三个样。裂纹扩展速率实验方法执行ASTM E647-15，测试方向为横向。

结果与讨论

冲击韧性

表3为热轧态及经不同温度热处理后低间隙TC4(A)及高氧TC4 板材(B)的横向室温冲击韧性测试数据。从表3 可以看出，在各热处理制度下低间隙TC4 板材室温冲击韧性均高于高氧TC4 板材，降低板材氧含量可以提高板材塑性，降低强度水平，降低材料的脆性倾向，提高板材受外力冲击时的能量吸收功，从而提高板材冲击韧性[2]。

从表3 可以看出，在700~980 ℃范围内随着退火温度升高，板材A 和B 的冲击韧性值均呈现出先下降后上升再下降的规律。低间隙TC4(A) 板材经780 ℃热处理后冲击韧性最小，平均达到58.3 J/cm2；经900 ℃热处理后冲击韧性最大，平均达到82.3 J/cm2。高氧TC4(B) 板材经780 ℃热处理后冲击韧性最小，平均达到33.7 J/cm2；在940 ℃热处理后冲击韧性最大，平均达到51.3 J/cm2。

表3 板材A、B 横向室温冲击韧性 J/cm2

显微组织

图1为板材A、B 在热轧态及冲击韧性值最小、最大时对应热处理制度下的显微组织图片。

从图1 可以看出，板材A、B 热轧态显微组织均为初生等轴状及长条状α+次生α+β 转变组织，板材A 的次生α 含量较板材B 略多。经780 ℃热处理后，板材发生再结晶及晶粒长大，板材A、B 显微组织类型与热轧态相同，但初生等轴状及长条状α 均发生明显长大。

图1 板材A、B 热轧态及退火态显微组织照片

板材A 经900 ℃热处理后，板材显微组织为初生等轴状α+片层状α+β 转变组织组成的双态组织。板材B 经940 ℃热处理后，板材显微组织同样呈现出双态组织，但与板材A 相比，板材B 的初生等轴状α 含量较少，片层状α 含量较多且较为粗大。

等轴状α 组织通常具有较好的强度、塑性和抗疲劳裂纹萌生性能，片层状α 则具有较好的断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展性能，双态组织则很好的综合了等轴和片层状组织在材料性能方面的优点，较为均衡的抑制了裂纹萌生和扩展过程，提高材料韧性。与板材B 相比，板材A 等轴状α 含量更多，有利于提高板材整体塑性，降低α 晶粒萌生裂纹的倾向；板材A 片层状α 更为细小，晶界占比更大，有利于使室温下沿晶裂纹扩展路径曲折化。

裂纹扩展速率

板材A 经780 ℃、900 ℃热处理后及板材B 经780 ℃热处理后横向裂纹扩展速率分别代表低间隙板材冲击韧性值最小、最大及高氧板材冲击韧性值最小状态下板材横向裂纹扩展速率情况。板材A 经900℃热处理后裂纹扩展速率最低；经780℃热处理后次之；板材B 经780℃热处理后裂纹扩展速率最高；在裂纹扩展阶段3 种板材裂纹扩展速率的差异更为显著。此外，板材B 中较高的氧含量(0.18%)会加剧晶粒尺寸对裂纹扩展速率的影响程度[3]。上述规律与冲击韧性结果对材料的韧性评价结果相一致，冲击韧性值越高，裂纹扩展速率越低，材料变形和断裂时吸收的能量越高，材料抵抗变形和断裂的能力越强。

结束语

TC4 板材经780 ℃热处理后显微组织类型为初生等轴状及长条状α+次生α+β 转变组织，冲击韧性低，裂纹扩展速率高；经900~940 ℃热处理后显微组织类型为双态组织，冲击韧性高，裂纹扩展速率低。板材氧含量对板材韧性影响显著，降低氧含量会显著提高板材冲击韧性，降低板材裂纹扩展速率。