鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕性好、無磁性等優(yōu)異的性能，作為一種重要的結(jié)構(gòu)材料在航空、航天、化工、艦船、汽車、兵器、體育、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，鈦合金較高的成本限制了其應(yīng)用范圍。因此，低成本鈦合金的研發(fā)以及鈦合金的低成本化制備技術(shù)仍然是當(dāng)前最重要的研究熱點(diǎn)[1-4]。降低原料成本、縮短加工流程是降低鈦合金成本的有效途徑。在鈦合金生產(chǎn)中會產(chǎn)生大量的返回料，其成本只有海綿鈦成本的三分之一。利用電子束冷床爐代替?zhèn)鹘y(tǒng)的真空自耗電弧熔煉，可添加50％以上的返回料，能顯著降低原料成本。此外，電子束冷床熔煉可生產(chǎn)扁錠，扁錠可直接進(jìn)行軋制，省去了圓錠開坯、鍛造等工序，最大限度縮短生產(chǎn)流程，降低消耗，節(jié)約成本[5]。電子束冷床爐單次熔煉Ti-6Al-4V鈦合金(國內(nèi)牌號TC4)鑄錠直接軋制的板材有望在航空、兵器等領(lǐng)域獲 得應(yīng)用[6]。美國率先針對電子束冷床爐單次熔煉技術(shù)開展研究，利用Ti-6Al-4V鈦合金鑄錠軋制了76.2mm、50.8mm、25.4mm和12.7mm的板材。經(jīng)測試，板材的拉伸性能均超過航空標(biāo)準(zhǔn)的最低要求，有望在戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼折起支座及翼肋上獲得應(yīng)用[7]。針對電子束冷床爐熔煉鑄錠制備的板材，美國于2010年制定了相應(yīng)的板材標(biāo)準(zhǔn)AMS6945A{Titanium Alloy,Single Melt，Sheet，Strip，and Plate 6Al_4VAnnealed))，并在2014年進(jìn)行了修訂。在國內(nèi)，寶鈦集團(tuán)利用從德國ALD公司引進(jìn)的2400 kw電子束冷床爐單次熔煉TC4鈦合金扁錠，直接軋制成8mm厚板材[8-9]，板材室溫力學(xué)性能及抗彈性能滿足國標(biāo)及使用要求，已獲得應(yīng)用。
本文研究電子束冷床熔煉爐(Electron Beam Cold Hearth Melting,EBCHM)熔煉TC4鈦合金扁錠直接軋制板材在變形及退火過程中的顯微組織和力學(xué)性能，力圖揭示板材顯微組織的演化規(guī)律及其室 溫力學(xué)性能的變化規(guī)律，得到板材強(qiáng)度與塑性最佳匹配的退火工藝，旨在為該合金板材的低成本工業(yè)化批量生產(chǎn)提供參考。
1、試驗(yàn)材料與方法
利用海綿鈦、鈦合金返回料等原料在電子束冷床爐上熔煉出270mm×1085mm×5000mm規(guī)格TC4鈦合金扁錠，其化學(xué)成分符合GB/T 3620.1—2007《鈦及鈦合金牌號和化學(xué)成分》標(biāo)準(zhǔn)要求，金 相法測得其β轉(zhuǎn)變溫度為974℃。鑄錠經(jīng)機(jī)加工處理后，在1200mm四輥可逆式熱軋機(jī)上在相變點(diǎn)以下20~50℃采用交叉換向工藝多火次軋制成8mm厚板材，按(720～950)℃×1h空冷工藝進(jìn)行 退火。對鑄錠至板材變形過程中以及退火后板材的顯微組織和室溫力學(xué)性能進(jìn)行分析測試，并優(yōu)選出顯微組織和力學(xué)性能匹配最佳的熱處理工藝。室溫力學(xué)性能測試按照GB／T 228-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)在CMT 5105電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，金相觀察分析在Axiovert 200MAT金相顯微鏡下進(jìn)行。
2、試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 變形過程中板材的組織與性能
圖1為經(jīng)不同火次變形后TC4鈦合金板材的顯微組織照片。由圖1(a)可見電子束冷床爐熔煉的TC4鈦合金扁錠晶粒粗大，晶內(nèi)為樹枝晶組織。經(jīng)一火變形后，鑄態(tài)的樹枝晶組織被破碎，形成柱狀組織，見圖1(b)。經(jīng)兩火變形后，粗大的晶粒破碎為細(xì)小晶粒，柱狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S或長條狀組織，并且沿軋制方向被壓扁或拉長，見圖1(c)。魏壽庸等人[10]在Ti-6Al-2Zr-2V-1.5Mo鈦合金板材變形過程中也發(fā)現(xiàn)有類似現(xiàn)象。經(jīng)三火變形后獲得成品板材，晶粒進(jìn)一步細(xì)化，長條狀組織更多轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S狀α+β轉(zhuǎn)變組織，見圖1(d)。變形過程中晶粒的細(xì)化和組織的演變與其室溫力學(xué)性能的高低密切相關(guān)。
表1所示為經(jīng)不同火次變形后板材的室溫力學(xué)性能。由表1中數(shù)據(jù)可見，經(jīng)過軋制變形后，板材的室溫拉伸強(qiáng)度和塑性均呈增大趨勢。與TC4鈦合金鑄錠的力學(xué)性能相比，不同火次軋制變形后板材的強(qiáng)度和塑性得到明顯的提高。這是因?yàn)榻M織決定性能，細(xì)小的等軸組織可以獲得較高的強(qiáng)度和塑性。金屬變形時(shí)的強(qiáng)度和塑性與位錯(cuò)滑移長度有關(guān)，位錯(cuò)滑移長度越短，強(qiáng)度和塑性越高。等軸組織的位 錯(cuò)滑移長度是由等軸組織中初生α相的含量決定的，等軸α相越多，晶粒越細(xì)小，位錯(cuò)滑移長度越短，產(chǎn)生的位錯(cuò)塞積越少，具有更好的強(qiáng)度和塑性。在軋制變形過程中，變形充分能使更多的滑移系的位錯(cuò)源啟動，產(chǎn)生相應(yīng)的滑移，也有利于初生α相的球化；此外，變形程度越大，因受流動應(yīng)力被破碎的棒狀α數(shù)量越多，可為再結(jié)晶提供更多的形核機(jī)會。表l中板材的室溫力學(xué)性能的變化規(guī)律與圖1 中顯微組織的演化規(guī)律相吻合。
2.2退火處理后板材的組織與性能
圖2為板材經(jīng)(720～950)℃×1h+AC退火后的顯微組織。從圖2中可以看出，當(dāng)退火溫度較低時(shí)(720～820℃)，顯微組織無明顯變化，以長條狀或等軸狀α+β轉(zhuǎn)變組織為主，晶粒尺寸大小和形態(tài)十分相似，見圖2(a)～(d)。文獻(xiàn)[10-11]也發(fā)現(xiàn)低溫退火時(shí)的組織與軋制態(tài)組織相似。退火溫度升高到820℃以上，板材的顯微組織較低溫時(shí)發(fā)生了明顯變化，表現(xiàn)為等軸初生α相含量開始逐漸減少、尺寸逐漸增大，晶粒向等軸化轉(zhuǎn)變，而β轉(zhuǎn)變組織的含量逐漸增多(見圖2(e)、(f))，并且有片狀次生α相從β轉(zhuǎn)變組織中析出(見圖2(f)、(g))。
鈦合金在熱處理時(shí)顯微組織的變化將導(dǎo)致其室溫力學(xué)性能的變化[12-15]。圖3所示為經(jīng)(720～950)℃×1 h+AC退火處理后板材的室溫力學(xué)性能，不同溫度退火后板材的室溫力學(xué)性能均滿足GB/T3621-2007《鈦及鈦合金板材》標(biāo)準(zhǔn)要求(Rm≥2895 MPa，Rp0.2≥830 MPa，A>≥10％)。由圖3可以看出，隨著退火溫度從720℃升高到950℃，板材的室溫抗拉強(qiáng)度尺。呈現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢，在820℃達(dá)到最大值，規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度尺Rp0.2和斷面收縮率Z總體上呈現(xiàn)下降的趨勢，而伸長率彳則變化不大。這是由于在室溫下合金的抗拉強(qiáng)度隨著等軸組織的變化而變化，合金中等軸組織含量高，其抗拉強(qiáng)度也高[16]；當(dāng)退火溫度逐漸升高至820℃時(shí)，合金中等軸α相的含量最多，因此其抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值；隨著退火溫度的繼續(xù)升高，合金中等軸α相的含量逐漸減少，其抗拉強(qiáng)度逐漸下降。雖然隨著退火溫度的升高，合金中析出片狀次生α相，抗拉強(qiáng)度會增大，但由于溫度較高，合金中等軸α相的含量減少比較明顯，且晶粒進(jìn)一步粗化(見圖2(g))，使合金的抗拉強(qiáng)度明顯降低。
由圖3還可看出，經(jīng)(750"--820)℃×l h+AC退火處理后，雖然板材的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2和斷面收縮率Z略有下降，但變化幅度不大。綜合考慮，在該溫度范圍內(nèi)退火處理的TC4鈦合金板材可獲得強(qiáng)度與塑性的最佳匹配，在工業(yè)化批量生產(chǎn)時(shí)推薦采用該熱處理工藝。
3、結(jié)論
(1)隨著軋制變形火次的增加，電子束冷床爐熔煉的TC4鈦合金扁錠粗大的鑄態(tài)晶粒被破碎，枝晶組織轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S或長條狀α+β轉(zhuǎn)變組織，板材的室溫力學(xué)性能顯著提高。
(2)TC4鈦合金板材退火后，組織更加均勻等軸化，隨著溫度的升高，析出片狀次生α相，初生α含量減少；板材的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度和斷面收縮率總體呈現(xiàn) 下降趨勢，而伸長率則變化不大。
(3)經(jīng)(750～820)℃xl h+AC退火處理后，TC4鈦合金板材可獲得強(qiáng)度與塑性的最佳匹配。
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