大變形熱軋制備超細晶TC4鈦合金的組織與性能

，，

(上海交通大學材料科學與工程學院，上海 200240))

0 引 言

TC4(Ti6Al4V)鈦合金是一種典型的雙相(α+β)鈦合金，具有密度低、強度高、熱膨脹系數(shù)低、生物相容性好、抗疲勞和耐腐蝕性能優(yōu)異等特點，被廣泛用于航空航天、汽車、海洋工程、化學工程、醫(yī)療器械等行業(yè)[1-2]。然而，使用條件的變化對合金的強度提出了更高的要求，如何進一步提高TC4鈦合金的強度成為近十年來鈦合金研究的熱點之一。晶粒(組織)細化是同時提高材料強度和韌性的有效途徑，采用強烈塑性變形(Severe Plastic Deformation，SPD)技術可以獲得納米晶(晶粒尺寸在100 nm及以下)或超細晶(晶粒尺寸在1 000 nm及以下)組織，進而顯著提高材料的強度。近年來，各種SPD技術，如高壓扭轉(HPT)[3]、等通道擠壓(ECAE/ECAP)[4]等，被廣泛應用于制備高強度TC4鈦合金，并取得了良好的效果[3-9]。

但是，這些傳統(tǒng)SPD技術對生產(chǎn)條件的要求較高，制備的材料尺寸也較小，很難實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。軋制是最常用也是最理想的工業(yè)化生產(chǎn)大型板材的方法，作為一種新型的SPD技術，大變形軋制能有效地細化晶粒，同時易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。在前期研究中，作者所在課題組采用大變形軋制方法成功制備了納米晶及超細晶鋼[10-12]、鎳合金[13]和純鈦[14-15]。在此基礎上，作者采用道次大壓下量的大變形熱軋方法制備超細晶TC4鈦合金，研究了軋制變形量對該合金組織和性能的影響。

1 試樣制備與試驗方法

試驗原料為商用TC4鈦合金，由云南鈦業(yè)提供，其化學成分見表 1。使用電火花線切割機在TC4鈦合金上切割出尺寸為100 mm×30 mm×20 mm的塊狀試樣，在馬弗爐中于1 100 ℃保溫1 h，然后在70 t軋機(上海應用技術大學金屬壓力加工中心)上進行道次大壓下量軋制，開軋溫度1 100 ℃，經(jīng)2～4道次軋制至厚度分別為8，6，4，2 mm，軋制變形量分別為60%，70%，80%，90%，終軋溫度600 ℃，水冷至室溫。

表 1 TC4鈦合金的化學成分(質量分數(shù))Tab.1 Chemical composition of TC4 titaniumalloy (mass) %

在大變形熱軋前后的TC4鈦合金上取樣，經(jīng)鑲嵌、研磨、拋光后，用Kroll腐蝕溶液(由3 mL HF、6 mL HNO3和100 mL H2O組成)腐蝕10 s，再在ZEISS AXIO Imager.A1m型光學顯微鏡上觀察顯微組織。用MTP-1A型電解雙噴減薄儀制備薄膜試樣，雙噴液為體積分數(shù)5%高氯酸酒精溶液，溫度控制在-30 ℃左右，電壓為30 V，然后采用JEOL 2100F型高分辨透射電子顯微鏡(TEM)進行形貌觀察和結構分析，工作電壓為200 kV，通過對10張暗場像的晶粒尺寸(晶粒數(shù)大于100個)進行統(tǒng)計，計算平均晶粒尺寸。對大變形熱軋前后的TC4鈦合金試樣進行研磨、拋光，再用體積分數(shù)5%高氯酸酒精溶液電解拋光并去應力處理后，用Shimadzu XRD-6000型X射線衍射儀(XRD)進行物相分析，采用銅靶，Kα射線，電壓40 V，電流40 mA，掃描范圍為30°～90°。使用402SXV型顯微硬度計進行維氏硬度測試，載荷為4.903 N，保載時間為15 s。根據(jù)ASTM E8/E8M設計拉伸試樣，尺寸如圖1所示，RD，TD，ND分別為軋制方向、橫向和法向；根據(jù)GB/T 228-2002，在Zwick/Roell-Z100型萬能拉伸試驗機上進行室溫拉伸試驗，拉伸應變速率為1×10-3s-1。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 Size of tensile specimen

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可知：大變形熱軋前TC4鈦合金的組織由片層狀α和β雙相組成，原始等軸狀晶界清晰，平均晶粒尺寸約400 μm;隨著變形量的增加，其組織顯著細化；在60%和70%變形量下TC4鈦合金的原始粗大晶粒被壓扁拉長，且在變形過程中由于位錯增殖,粗大晶粒內部被分割成細小的亞晶粒；當變形量為80%時，合金中晶粒的完整形貌消失，出現(xiàn)明顯的軋制變形帶；當變形量為90%時，合金中的變形帶更加細密和均勻，組織更加細小。

由圖3可見：大變形熱軋后TC4鈦合金發(fā)生了強烈塑性變形，組織明顯細化，變形量為60%時，鈦合金組織中存在超細晶和一定程度的位錯；隨著熱軋變形量的增加，超細晶數(shù)量增加，晶粒尺寸略有減小，位錯密度變化不大；當熱軋變形量為80%時，TC4鈦合金中的超細晶數(shù)量較多、晶界相對清晰，當變形量超過90%后，超細晶晶界不清晰，位錯密度和點陣畸變明顯高于其他變形量熱軋后的。這種變化規(guī)律可以由動態(tài)再結晶進行解釋：在大變形熱軋過程中，晶粒通過在晶界等位錯聚集處形核長大發(fā)生再結晶(非連續(xù)動態(tài)再結晶)，或由變形生成小角度晶界晶粒并在變形量進一步增加時直接轉變?yōu)榇蠼嵌染Ы绨l(fā)生再結晶(連續(xù)動態(tài)再結晶)，隨后再結晶晶粒長大，原始片層狀組織被逐步分解成超細晶[16]。

由圖4可見：經(jīng)變形量為90%的大變形熱軋后，TC4鈦合金中含有大量因劇烈塑性變形而形成的高密度位錯、位錯胞和亞晶等，其組織明顯細化；對選區(qū)電子衍射(SAED)花樣分析后發(fā)現(xiàn)，衍射環(huán)由密排六方和體心立方兩套斑點組成，分別對應鈦合金的α和β相，衍射斑點呈不連續(xù)環(huán)狀，說明軋制后TC4鈦合金組織中存在大量的大角度晶界[14,17]；在TEM暗場像中可以明顯觀察到超細晶，統(tǒng)計得到的平均晶粒尺寸約150 nm，由于此處使用TEM暗場像測量的晶粒數(shù)量有限，所得平均晶粒尺寸與實際情況可能存在少許誤差。與大變形熱軋前的TC4鈦合金相比，經(jīng)90%變形量熱軋后合金的組織明顯細化，采用大變形熱軋成功制備得到了超細晶TC4鈦合金。

2.2 物相組成

圖5 不同變形量熱軋前后TC4鈦合金的XRD譜Fig.5 XRD patterns of TC4 titanium alloy before and after hot rolling with different reductions

2.3 硬度和拉伸性能

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，大變形熱軋后TC4鈦合金的硬度明顯提高，且隨著熱軋變形量的增加而增大，當變形量從60%增至80%時，硬度增大速率較快，經(jīng)90%變形量熱軋后TC4鈦合金的硬度達364.7 HV。熱軋變形能夠細化晶粒并提高位錯密度，雖然動態(tài)再結晶會消耗部分位錯，但還會有大量位錯殘留，這些殘留位錯是熱軋后鈦合金硬度提升的主要影響因素。

圖6 不同變形量熱軋前后TC4鈦合金的顯微硬度Fig.6 Microhardness of TC4 titanium alloy before and after hot rolling with different reductions

由圖7可知：經(jīng)大變形熱軋后TC4鈦合金的強度明顯提高，且隨著熱軋變形量的增加而增大；與熱軋前的相比，經(jīng)60%和70%變形量熱軋后合金在強度增加的同時，伸長率也明顯增大；經(jīng)90%變形量熱軋后，TC4鈦合金的抗拉強度達到1 135 MPa，比大變形熱軋前合金的874 MPa提高了近30%，其伸長率超過9%，呈現(xiàn)出高強高韌的特點。

圖7 不同變形量熱軋前后TC4鈦合金的拉伸性能Fig.7 Tensile properties of TC4 titanium alloy before and after hot rolling with different reductions

材料的強度與晶粒尺寸之間符合經(jīng)典的Hall-Petch關系,即：

(1)

式中：σy為屈服強度；σ0為材料常數(shù)，與位錯移動時所受晶格阻力有關；ky為常數(shù)；d為平均晶粒尺寸。

由式(1)并結合圖2～圖4分析可知：隨著熱軋變形量的增加，TC4鈦合金的晶粒尺寸減小，強度增加；經(jīng)90%變形量熱軋后TC4鈦合金除了組織得到進一步細化外，在晶粒內部還出現(xiàn)了高密度位錯、位錯胞以及非平衡晶界，因此其強度增加顯著。此外，TC4鈦合金在強度提高的同時保持了優(yōu)異的塑性，這仍然要歸因于組織的細化。在變形時位錯可以在更多相對細小的晶粒中啟動，不同細小晶粒間的變形更容易協(xié)調，從而推遲了應力集中和斷裂的發(fā)生，提升了塑性?？梢姡ㄟ^道次大壓下量的大變形熱軋可以獲得高強高韌的超細晶TC4鈦合金材料。

2.4 拉伸斷口形貌

由圖8可見，經(jīng)大變形熱軋后TC4鈦合金的拉伸斷口均呈韌窩狀，為典型的微孔聚集型韌性斷口。鈦合金受力時，因位錯的塞積作用，在晶界、亞晶界、析出相、夾雜物處首先形成微孔；隨著變形的繼續(xù)，微孔相互連接并長大，導致合金斷裂[18]。隨著熱軋變形量的增加，韌窩尺寸減小、深度變淺，說明合金塑性變差。這是因為變形量越大，合金的晶粒尺寸越小，微孔形核數(shù)量越多。

圖8 不同變形量熱軋后TC4鈦合金拉伸斷口的SEM形貌Fig.8 SEM micrographs showing tensile fracture of TC4 titanium alloy after hot rolling with different reductions

3 結 論

(1) 通過大變形熱軋及道次大壓下量的方法成功制備了超細晶TC4鈦合金，經(jīng)變形量為90%的大變形熱軋后，可以獲得平均晶粒尺寸約150 nm的超細晶組織，合金的抗拉強度從874 MPa提升到1 135 MPa，伸長率超過9%。

(2) TC4鈦合金在大變形熱軋過程中發(fā)生了動態(tài)再結晶，隨著熱軋變形量的增加，超細晶數(shù)量增加、尺寸減小，晶粒內殘留位錯、亞晶等缺陷的密度增加，合金的硬度和強度增大；由于超細再結晶組織的形成，大變形熱軋后TC4鈦合金仍然保持了優(yōu)異的塑性，拉伸斷裂方式均為韌性斷裂。

[1] LüTJERING G, WILLIAMS J C. Titanium[M]. Berlin: Springer, 2007.

[2] LEYENS C, PETERS M. Titanium and titanium alloys:Fundamentals and applications[M].Weinheim:Wiley-VCH,2003.

[3] SERGUEEVA A V, STOLYAROV V V, VALIEV R Z,etal. Enhanced superplasticity in a Ti-6Al-4V alloy processed by severe plastic deformation[J]. Scripta Materialia, 2000, 43(9): 819-824.

[4] SEMENOVA I P, RAAB G I, SAITOVA L R,etal. The effect of equal-channel angular pressing on the structure and mechanical behavior of Ti-6Al-4V alloy[J]. Materials Science and Engineering A, 2004, 387/388/389: 805-808.

[5] ZHANG Y, SATO Y S, KOKAWA H,etal. Microstructural characteristics and mechanical properties of Ti-6Al-4V friction stir welds[J]. Materials Science and Engineering A, 2008, 485(1/2): 448-455.

[6] ZHEREBTSOV S, SALISHCHEV G,OJKOWSKI W. Strengthening of a Ti-6Al-4V titanium alloy by means of hydrostatic extrusion and other methods[J]. Materials Science and Engineering A, 2009, 515(1/2): 43-48.

[7] SEMENOVA I P, RAAB G I, GOLUBOVSKIY E R,etal. Service properties of ultrafine-grained Ti-6Al-4V alloy at elevated temperature[J]. Journal of Materials Science, 2013, 48(13): 4806-4812.

[8] KIM Y, KIM E P, SONG Y B,etal. Microstructure and mechanical properties of hot isostatically pressed Ti-6Al-4V alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2014, 603: 207-212.

[9] ZHEREBTSOV S V, SALISHCHEV G A, GALEYEV R M,etal. Production of submicrocrystalline structure in large-scale Ti-6Al-4V billet by warm severe deformation processing[J]. Scripta Materialia, 2004, 51(12): 1147-1151.

[10] FU B, FU L, WANG H,etal. Microstructures and deformation behavior of nano-grained and ultrafine-grained high-Mn austenitic steel fabricated by asymmetric-symmetric rolling[C]// IOP Conference Series: Materials Science and Engineering.[S.l.]:IOP Publishing, 2014.

[11] 方建敏, 張杏耀, 單愛黨,等. 累積疊軋焊不銹鋼的組織和性能[J]. 機械工程材料, 2006, 30(8): 16-18.

[12] 蔣建華, 丁毅, 陳云龍, 等. 異步軋制TWIP鋼的力學性能和微觀組織[J]. 鋼鐵, 2011, 46(11): 77-81.

[13] SUN Y, XU S, SHAN A. Effects of annealing on microstructure and mechanical properties of nano-grained Ni-based alloy produced by severe cold rolling[J]. Materials Science and Engineering A, 2015, 641: 181-188.

[14] LI Z, FU L, FU B,etal. Effects of annealing on microstructure and mechanical properties of nano-grained titanium produced by combination of asymmetric and symmetric rolling[J]. Materials Science and Engineering A, 2012, 558: 309-318.

[15] LI Z, FU L, FU B,etal. Nanoindentation hardness and elastic modulus of nano-grained titanium produced by asymmetric and symmetric rolling[J]. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2014, 14(10): 7740-7744.

[16] MATSUMOTO H, BIN L, LEE S H,etal. Frequent occurrence of discontinuous dynamic recrystallization in Ti-6Al-4V Alloy with α′ martensite starting microstructure[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2013, 44(7): 3245-3260.

[17] STOLYAROV V V, ZHU Y T, LOWE T C,etal. A two step SPD processing of ultrafine-grained titanium[J]. Nanostructured Materials, 1999, 11(7): 947-954.

[18] 束德林. 工程材料力學性能[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2003.