熱處理對(duì)TC4 鈦合金板材韌性的影響

供稿|高飛，雷挺，苗陽(yáng)，齊航，巨朝飛 / GAO Fei, LEI Ting, MIAO Yang, QI Hang, JU Chao-fei

內(nèi)容導(dǎo)讀

本文研究了低間隙和高氧TC4 板材在經(jīng)不同熱處理溫度退火后的沖擊韌性、顯微組織和裂紋擴(kuò)展速率，得到熱處理溫度對(duì)板材韌性的影響規(guī)律。結(jié)果表明：TC4 板材經(jīng)780 ℃熱處理后顯微組織類(lèi)型為初生等軸狀及長(zhǎng)條狀α+次生α+β 轉(zhuǎn)變組織，沖擊韌性低，裂紋擴(kuò)展速率高；經(jīng)900~940 ℃熱處理后顯微組織類(lèi)型為雙態(tài)組織，沖擊韌性高，裂紋擴(kuò)展速率低。此外，降低氧含量會(huì)顯著提高板材沖擊韌性，降低板材裂紋擴(kuò)展速率。

TC4(Ti-6Al-4V)是目前用量最大、用途最為廣泛的鈦合金。通過(guò)不同的加工工藝改變TC4 板材的顯微組織形貌，并使材料呈現(xiàn)出多樣化的性能特點(diǎn)，對(duì)于深入挖掘材料性能潛能，擴(kuò)大材料應(yīng)用場(chǎng)景有較大意義。材料韌性是材料變形時(shí)吸收能量的能力，常用沖擊韌性和斷裂韌性指標(biāo)來(lái)表征材料韌性的優(yōu)劣[1]。本文通過(guò)對(duì)低間隙和高氧TC4 板材進(jìn)行不同熱處理溫度退火，研究了熱處理溫度對(duì)板材沖擊韌性、顯微組織和裂紋擴(kuò)展速率的影響規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料

本研究采用熱軋工藝生產(chǎn)的兩批次厚度10 mm TC4 板材，兩批次板材分別編號(hào)為板材A、B。板材A 為低間隙(ELI)TC4 成分，板材B 為高氧TC4成分(化學(xué)成分見(jiàn)表1)。板材熱軋至10 mm 后未經(jīng)熱處理，以熱軋狀態(tài)采用水切割方式取試樣坯。

表1 TC4 板材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

板材熱處理

使用高精度箱式熱處理爐(±2 ℃)對(duì)試樣坯進(jìn)行熱處理，選取TC4 再結(jié)晶溫度范圍進(jìn)行再結(jié)晶退火熱處理(見(jiàn)表2)，熱處理時(shí)間均為60 min，冷卻方式為空氣冷卻。

表2 板材熱處理溫度

性能測(cè)試

測(cè)試板材沖擊韌性和裂紋擴(kuò)展速率以表征板材韌性，其中板材沖擊韌性實(shí)驗(yàn)方法執(zhí)行GB/T 229—2007，測(cè)試方向?yàn)闄M向，每個(gè)熱處理制度測(cè)試三個(gè)樣。裂紋擴(kuò)展速率實(shí)驗(yàn)方法執(zhí)行ASTM E647-15，測(cè)試方向?yàn)闄M向。

結(jié)果與討論

沖擊韌性

表3為熱軋態(tài)及經(jīng)不同溫度熱處理后低間隙TC4(A)及高氧TC4 板材(B)的橫向室溫沖擊韌性測(cè)試數(shù)據(jù)。從表3 可以看出，在各熱處理制度下低間隙TC4 板材室溫沖擊韌性均高于高氧TC4 板材，降低板材氧含量可以提高板材塑性，降低強(qiáng)度水平，降低材料的脆性?xún)A向，提高板材受外力沖擊時(shí)的能量吸收功，從而提高板材沖擊韌性[2]。

從表3 可以看出，在700~980 ℃范圍內(nèi)隨著退火溫度升高，板材A 和B 的沖擊韌性值均呈現(xiàn)出先下降后上升再下降的規(guī)律。低間隙TC4(A) 板材經(jīng)780 ℃熱處理后沖擊韌性最小，平均達(dá)到58.3 J/cm2；經(jīng)900 ℃熱處理后沖擊韌性最大，平均達(dá)到82.3 J/cm2。高氧TC4(B) 板材經(jīng)780 ℃熱處理后沖擊韌性最小，平均達(dá)到33.7 J/cm2；在940 ℃熱處理后沖擊韌性最大，平均達(dá)到51.3 J/cm2。

表3 板材A、B 橫向室溫沖擊韌性 J/cm2

顯微組織

圖1為板材A、B 在熱軋態(tài)及沖擊韌性值最小、最大時(shí)對(duì)應(yīng)熱處理制度下的顯微組織圖片。

從圖1 可以看出，板材A、B 熱軋態(tài)顯微組織均為初生等軸狀及長(zhǎng)條狀α+次生α+β 轉(zhuǎn)變組織，板材A 的次生α 含量較板材B 略多。經(jīng)780 ℃熱處理后，板材發(fā)生再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大，板材A、B 顯微組織類(lèi)型與熱軋態(tài)相同，但初生等軸狀及長(zhǎng)條狀α 均發(fā)生明顯長(zhǎng)大。

圖1 板材A、B 熱軋態(tài)及退火態(tài)顯微組織照片

板材A 經(jīng)900 ℃熱處理后，板材顯微組織為初生等軸狀α+片層狀α+β 轉(zhuǎn)變組織組成的雙態(tài)組織。板材B 經(jīng)940 ℃熱處理后，板材顯微組織同樣呈現(xiàn)出雙態(tài)組織，但與板材A 相比，板材B 的初生等軸狀α 含量較少，片層狀α 含量較多且較為粗大。

等軸狀α 組織通常具有較好的強(qiáng)度、塑性和抗疲勞裂紋萌生性能，片層狀α 則具有較好的斷裂韌性和抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能，雙態(tài)組織則很好的綜合了等軸和片層狀組織在材料性能方面的優(yōu)點(diǎn)，較為均衡的抑制了裂紋萌生和擴(kuò)展過(guò)程，提高材料韌性。與板材B 相比，板材A 等軸狀α 含量更多，有利于提高板材整體塑性，降低α 晶粒萌生裂紋的傾向；板材A 片層狀α 更為細(xì)小，晶界占比更大，有利于使室溫下沿晶裂紋擴(kuò)展路徑曲折化。

裂紋擴(kuò)展速率

板材A 經(jīng)780 ℃、900 ℃熱處理后及板材B 經(jīng)780 ℃熱處理后橫向裂紋擴(kuò)展速率分別代表低間隙板材沖擊韌性值最小、最大及高氧板材沖擊韌性值最小狀態(tài)下板材橫向裂紋擴(kuò)展速率情況。板材A 經(jīng)900℃熱處理后裂紋擴(kuò)展速率最低；經(jīng)780℃熱處理后次之；板材B 經(jīng)780℃熱處理后裂紋擴(kuò)展速率最高；在裂紋擴(kuò)展階段3 種板材裂紋擴(kuò)展速率的差異更為顯著。此外，板材B 中較高的氧含量(0.18%)會(huì)加劇晶粒尺寸對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響程度[3]。上述規(guī)律與沖擊韌性結(jié)果對(duì)材料的韌性評(píng)價(jià)結(jié)果相一致，沖擊韌性值越高，裂紋擴(kuò)展速率越低，材料變形和斷裂時(shí)吸收的能量越高，材料抵抗變形和斷裂的能力越強(qiáng)。

結(jié)束語(yǔ)

TC4 板材經(jīng)780 ℃熱處理后顯微組織類(lèi)型為初生等軸狀及長(zhǎng)條狀α+次生α+β 轉(zhuǎn)變組織，沖擊韌性低，裂紋擴(kuò)展速率高；經(jīng)900~940 ℃熱處理后顯微組織類(lèi)型為雙態(tài)組織，沖擊韌性高，裂紋擴(kuò)展速率低。板材氧含量對(duì)板材韌性影響顯著，降低氧含量會(huì)顯著提高板材沖擊韌性，降低板材裂紋擴(kuò)展速率。