TC4鈦合金 （名義成分為Ti-6Al-4V）是一種典 型的 α＋β型兩相合金，其具有優異的耐腐蝕性、強韌性以及高溫力學性能等眾多優異特性，在航空發動機、海洋工程、化學工程等領域均得到了廣泛的 應用，該合金也被稱為萬能鈦合金［１－２]。

TC4鈦合金的生產工藝主要有熔煉、鍛造、軋 制等，目前TC4鈦合金軋制板材的應用十分廣 泛［３－４]。韓盈等［５]研究了軋制工藝對TC4鈦合金板材織構演變及組織和性能的影響，研究表明：順向 軋制和換向軋制２種軋制工藝均會起到細化晶粒的 作用，其中，板材經順向軋制后，微觀組織中存在 帶狀組織，α晶粒被拉長；板材經換向軋制后，組 織中晶粒破碎得更加均勻，經退火處理后，形成大 量等軸α晶粒；將２種軋制工藝進行對比，板材經 換向軋制后，其塑性較高，但強度較低。王偉等［６] 研究了軋制火次對EB熔煉 TC4鈦合金顯微組織、織 構和力學性能的影響，研究表明：軋制火次的增加使 得鑄態組織中的原始粗大晶粒破碎，組織中的晶粒出 現等軸化，并有細小的等軸α相形成，其小角度晶界 增大，合金經三火軋制后的小角度晶界增加了35.1％。

本文對不同軋制規格的TC4鈦合金板材進行分 析和研究，探索出不同軋制厚度的TC4鈦合金板材 組織與力學性能的對應關系，為實際生產提供參考。

1、試驗材料與方法

本試驗所選用的TC4鈦合金板坯的規格為 250mm×10mm×2000mm，通過隧道式天然氣加 熱爐和輥底式電阻爐升溫加熱保溫處理后，在溫度 為850～2020℃下，經 Ф900／Ф840mm×2450mm四 輥可逆式熱軋機四火次軋制，第１火次軋制為開坯 軋制，第 １～３火次的軋制厚度分別為50.0、6.0和 3.5MM，第４火次軋制為成品軋制，通過包覆疊軋 技術將厚度為3.5mm的半成品TC4鈦合金板材經 ３～９道次軋制為厚度為2.0、1.5、1.0和0.8mm 這4種規格的TC4鈦合金板材，再對其進行780℃× 2h退火處理，其具體成分見表１。

TC4鈦合金板坯 的原始金相組織如圖１所示，其縱向與橫向組織均 為等軸組織，此組織以粗大初生α相 （α_ｐ）為主， 同時基體上存在細條狀的次生α相與由次生α相之 間的殘余 β相構成的 β轉變組織 （β_T）。

TC4鈦合金板材相變點測試執行GB/T 23605-2009 ［７]標準要求，使用金相法測得TC4鈦合金板材 的相變點為995～1000℃。再將4種規格的TC4鈦合金板材進行切割加工，進行金相組織與室溫拉伸 等性能測試。圖２為軋制TC4鈦合金板材的方向標 記：軋制方向 （ＲD向） 和橫向 （TD向），其中， 圖 ２A為金相組織的取樣位置，圖 ２ｂ為拉伸試樣取 樣位置以及拉伸斷口觀察位置。使用OLYmPUS光 學顯微鏡觀察TC4鈦合金板材金相組織，TC4鈦 合金板材的室溫以及高溫拉伸測試使用INSTRON-5580萬能試驗機，使用 IMAgEpro５測量組織中晶 粒的直徑，使用QuANTA型掃描電鏡觀察拉伸斷口 的微觀 形 貌，每 次 測 試 取 ３組 試 樣，最 后 取 平 均值。

2、結果與討論

2.1 金相組織

圖３為不同規格TC4鈦合金板材的金相組織。

由圖３可得，經軋制及退火后的TC4鈦合金板材組 織為α相與殘余β相組成的混合組織，不同厚度的TC4鈦合金板材的α相的形貌不同，呈現出線條狀、 等軸狀以及細小團狀，殘余β相存在于各α相之 間。與原始TC4鈦合金板材相比，經軋制退火后， TC4鈦合金的晶粒細化明顯，且存在明顯的軋制跡 象，這是由于TC4鈦合金板材的組織沒有產生完全 動態再結晶所致。在厚度為0.8、1.0和1.5mm的 C4鈦合金板材的ＲD向組織中有大小晶粒交替在 一起的帶狀組織，其中，厚度為1.0mm的TC4鈦 合金板材中帶狀組織最為明顯，這是因為：在軋制 過程中，TC4鈦合金板材的柱面和基面在進行滑移 時，晶粒的排列取向不發生改變，僅會繞著 ｃ軸 （ｃ 軸為由 橫 向 （TD） 傾 向 法 向 （ND） 且 靠 近 法 向 （ND），產生較強的基面織構）進行轉動，但錐面滑移 與之不同，其會導致晶粒產生傾斜現象，而傾斜會使 組織中的晶粒產生再結晶或旋轉。而厚度為2.0mm的 TC4鈦合金板材中帶狀組織并不明顯，其α晶粒被明 顯拉長，呈長條狀且不均勻地分布在組織中。４種規格 的TC4鈦合金板材 TD向組織中均以細小的等軸α晶 粒為主，金相組織中并未發現明顯的帶狀結構組織。

TC4鈦合金板材的 ＲD與 TD向組織中均存在大量 的細小 α晶粒，說明TC4鈦合金板材的受力狀態在軋 制過程中發生了改變，原始TC4鈦合金板坯中的晶粒 并非沿著某固定方向進行扭轉，導致形變區域的儲存 能以及位錯密度增加，為組織中晶粒的形核提供了大量 驅動能，導致TC4鈦合金板材在退火過程中容易產生再 結晶，使得組織中產生的大量的細小等軸 α晶粒［８]。這 與王牛俊等［９]對不同加工條件下TC4鈦合金板材組織的 研究結果一致，即軋制工藝對組織中的晶粒有細化作用。

2.2 拉伸性能

圖４為不同厚度TC4鈦合金板材的力學性能， 圖５為不同厚度TC4鈦合金板材拉伸過程中的工程 應力－工程應變曲線。由圖４和圖５可知，隨著厚度 的增加，TC4鈦合金板材強度總體呈現出先降低再 趨于穩定的趨勢，而塑性呈現出先升高再趨于穩定 的趨勢。不同規格TC4鈦合金板材的強度較低而塑 性較高，這是因為：退火會使板材在軋制過程中產生 加工硬化以及位錯密度降低的現象，從而使軋制應力 得到充分釋放。當厚度為0.8mm時，TC4鈦合金板 材的強度最大，最大抗拉強度RM為1075MPa、最大 屈服強度 ＲEL為1027MPa，而塑性方面，不同規格TC4 鈦合金板材的伸長率 A大致相同，最大值為17.5％。 TC4鈦合金板材在室溫拉伸過程中，當拉應力 沿界面擴展遇阻礙時，微裂紋擴展過程中形成的位 錯會在 α/β相界面上造成塞積，在位錯塞積力和裂 紋尖端作用力的共同作用下，α/β相的片層內會有 微孔洞形成，此時微裂紋擴展以微小孔聚合的方式 進行，最終導致斷裂［１０]。而厚度為0.8mm的TC4 鈦合金板材的強度較大，這是由于TC4鈦合金板材 軋制過程中的變形量較大，內部點陣畸變較大，形 成的儲存能更多，從而會有較多的再結晶形核位置， 晶粒更加細小，在拉伸過程中細小晶粒對位錯運動 的阻礙作用更強，位錯在細小晶粒區域被阻塞并形 成位錯塞積群，必須施加更大的外力才可使位錯再 次開動，導致TC4鈦合金板材的強度較高［11]。

由圖 ４可知，４種規格TC4鈦合金板材經軋制 退火后沿 ＲD與 TD方向的強度與塑性均有一定差 值，其中0.8mm的TC4鈦合金板材最為明顯，其 抗拉強度RM的最大差值為33MPa，屈服強度 ＲEL 的最大差值為32MPa，而伸長率A幾乎相同，最大 值差值為3%，說明４種規格TC4鈦合金板材具有 一定程度的各向異性。

４種規格的TC4鈦合金板材沿 ＲD方向的抗拉 強度較高，同時還具有良好的塑性，主要是因為： 軋制導致晶粒細化，細小的晶粒會提高晶界總面積， 而晶界強度在室溫條件下大于晶內強度，并能夠阻 礙位錯進行滑移，進而提高抗拉強度，在 TC4鈦合 金板材斷裂時會使裂紋擴展方向發生偏轉，增加裂 紋擴展路徑，使其伸長率升高。同時，TC4鈦合金 板材沿 ＲD方向的屈服強度低于 TD方向，這是由于 在進行拉伸時，TC4鈦合金板材 ＲD方向的拉應力 與 ｛０００１｝晶面形成較小的夾角，組織中滑移系容易開動，導致TC4鈦合金板材的屈服強度下降，隨后 在斷裂過程中會產生加工硬化和位錯交集現象，致使 TC4鈦合金板材具有較低屈服強度的同時具有較高的抗拉強度。在拉伸方向為TD向時，拉應 力 與 ｛０００１｝晶面之間的夾角較大，滑移系難以開動，需 較大外力來開動滑移系，導致TC4鈦合金板材的屈服 強度增加，在發生屈服后，組織中更容易產生應力集 中現象，導致TC4鈦合金板材的抗拉強度降低［１２－１３]。

2.3 斷口形貌

圖 ６為不同規格TC4鈦合金板材拉伸后的微觀 斷口形貌，其微觀斷口形貌大致相同，均以韌窩為 主，形貌均為等軸韌窩 （位置 A′），較大的韌窩中 有少量小韌窩分布其中，具有明顯的韌性斷裂特征， 宏觀表現為具有較大的伸長率。韌窩的形成是由于 合金內部組織以等軸α相作為微孔形成的核心源， 隨后經過微孔形核、長大以及聚合等方式使合金組 織有微裂紋產生并擴散、斷裂，在微孔聚合長大過 程中韌窩逐漸長大［１４]。合金的塑性通常由韌窩的深 淺和大小決定，當韌窩深且大時，合金具有良好的 塑性，當韌窩淺且小時，合金的塑性較差。

當TC4鈦合金板材厚度為0.8mm時，其 ＲD方 向 （圖 ６A） 和 TD方向 （圖 ６ｂ） 除具有大量韌窩 外，還有一定數量的小平面 （位置 Ｂ），具有圓潤 且光滑的底部，并有微小的空洞存在，以及較銳利 的棱邊，同時韌窩內部還有大量特別細小的微裂紋 （位置 Ｃ和位置 D），說明施加拉應力后，裂紋在組 織中擴展時的尖端應力較大，導致裂紋在向前擴展 時，也向垂直于主裂紋擴展的方向延伸，形成二次 裂紋，從而增加了裂紋擴展的曲折性，導致合金的 強度增加、塑性降低。同時，在圖 ６A所示斷口形貌 中還有一定數量的撕裂棱 （位置 E），撕裂棱的出 現表明強度增大而塑性降低，此與TC4鈦合金板材 的宏觀拉伸性能一致。當TC4鈦合金板材厚度為 1.0MM時，TD方向 （圖 ６D）的斷口形貌中有空洞 存在 （位置 Ｆ），這是因為：組織中晶粒十分均勻細 小，試樣在拉伸過程中，組織內的裂紋擴展時會遇 到大量細小 α晶粒，產生應力集中現象，裂紋若繼 續擴展，擴展方向會發生偏轉，其沿著 α／β晶界交 界處進行，在此位置形成空洞，導致塑性下降。當 TC4鈦合金板材厚度為1.5和2.0mm時，其 ＲD方向 和 TD方向的斷口形貌基本相同，無明顯差異，說明 TC4鈦合金板材的力學性能接近，差異性較小。

由圖6可得，在 ＲD方向，當TC4鈦合金板材 厚度較厚時 （1.5和2.0mm），斷口微觀形貌由大 量韌窩組成，當厚度較薄時 （0.8mm），由于變形 量的增加，斷口微觀形貌中出現撕裂棱以及微裂紋， 這意味著TC4鈦合金板材的強度增加、塑性降低。 TD方向的變化趨于與 ＲD方向類似，均為隨著TC4 鈦合金板材厚度的變薄，斷口由單一的韌窩形貌向 韌窩與其他形貌并存的方向發展，區別之處為當 TC4鈦合金板材厚度較薄時，ＲD方向的斷口形貌以 韌窩、微裂紋和撕裂棱為主，而 TD方向的斷口形 貌以韌窩、微裂紋和空洞為主。

3、結論

（１）經軋制及退火后的TC4鈦合金板材組織為 α相與殘余 β相組成的混合組織，α相形貌呈現出 線條狀、等軸狀以及細小團狀等，與原始板材相比， 經軋制退火后，TC4鈦合金板材晶粒細化明顯，且 存在明顯的軋制跡象。

（２）TC4鈦合金板材強度總體呈現出隨著厚度 的增加先降低再趨于穩定的趨勢，而塑性呈現出先 升高再趨于穩定的趨勢。當厚度為0.8mm時，TC4 鈦合金板的強度最大，最大的抗拉強度ＲM 為 1075MPa、最大的屈服強度 ＲEL為1027MPa。而塑 性方面，不同規格TC4鈦合金板材的伸長率 A大致 相同，最大值為17.5％。４種規格TC4鈦合金板材 經軋制退火后沿 ＲD與 TD方向的強度與塑性均有一 定差值，說明此４種規格TC4鈦合金板材具有一定 程度的各向異性。

（３）不同規格TC4鈦合金板材拉伸后的斷口形 貌均以韌窩為主，具有明顯的韌性斷裂特征，其中 厚度為0.8mm的TC4鈦合金板材沿TD方向的斷口 形貌中除具有韌窩形貌外，還具有一定數量的小平 面，韌窩內部還存在有大量特別細小的微裂紋。

參考文獻：

[１]吳晨，馬保飛，肖松濤，等．航天緊固件用 TC4鈦合金棒材 固溶 時 效 后 的 組 織 與 性 能 ［Ｊ]．金 屬 熱 處 理，２０２１，４６ （１１）：１６６－１６９． WｕＣ，MAＢＦ，ＸｉAｏST，ETAL．MｉｃｒｏSTｒｕｃTｕｒEANDｐｒｏｐEｒTｉESｏｆ TC4TｉTANｉｕMALLｏｙｂAｒSｆｏｒAEｒｏSｐAｃEｆASTENEｒSAｆTEｒSｏLｕTｉｏNANDAｇ ｉNｇ［Ｊ]．ＨEATTｒEATMENTｏｆMETALS，２０２１，４６（１１）：１６６－１６９．

[２] 王瑤，李永剛，李文輝，等．深冷處理對 TC4鈦合金滾磨光整加 工性能的影響 ［Ｊ]．稀有金屬，２０２１，４５（１１）：１２８９－１２９８． WANｇＹ，LｉＹＧ，LｉW Ｈ，ETAL．EｆｆEｃTｏｆｃｒｙｏｇENｉｃTｒEATMENTｏN TｈEｒｏLLｉNｇｆｉNｉSｈｉNｇｐEｒｆｏｒMANｃEｏｆTC4TｉTANｉｕMALLｏｙ［Ｊ]．Ｃｈｉ NESEＪｏｕｒNALｏｆＲAｒEMETALS，２０２１，４５（１１）：１２８９－１２９８．

[３] 徐凱華，劉海軍，閆江鵬，等．熱等靜壓態 TC4鈦合金在多 道次熱壓縮變形中的組織演變 ［Ｊ]．塑性工程學報，２０２１， ２８（７）：１５０－１５６． ＸｕＫＨ，LｉｕＨＪ，ＹANＪＰ，ETAL．MｉｃｒｏSTｒｕｃTｕｒEEｖｏLｕTｉｏNｏｆｈｏT ｉSｏSTATｉｃTC4TｉTANｉｕMALLｏｙDｕｒｉNｇMｕLTｉｐASSｈｏTｃｏMｐｒESSｉｏNDE ｆｏｒMATｉｏN［Ｊ]． ＪｏｕｒNALｏｆＰLASTｉｃｉTｙ ENｇｉNEEｒｉNｇ， ２０２１， ２８ （７）：１５０－１５６．

[４] 李洪波，王琳，田鋒，等．TC4鈦合金薄壁筒形件反擠壓成形 及微觀組織演化 ［Ｊ]．塑性工程學報，２０２１，２８（１０）：１９－２６． LｉＨＢ，WANｇL，TｉANＦ，ETAL．ＲEｖEｒSEEｘTｒｕSｉｏNｆｏｒMｉNｇAND MｉｃｒｏSTｒｕｃTｕｒEEｖｏLｕTｉｏNｏｆTC4TｉTANｉｕMALLｏｙTｈｉNWALLEDｃｙLｉNDｒｉ ｃALｐAｒTS［Ｊ]． ＪｏｕｒNALｏｆＰLASTｉｃｉTｙENｇｉNEEｒｉNｇ， ２０２１， ２８ （１０）：１９－２６．

[５]韓盈，余偉，董恩濤，等．軋制工藝對 TC4合金板材織構演 變及組織和性能的影響 ［Ｊ]．稀有金屬材料與工程，２０２１， ５０（１０）：３５８５－３５９０． ＨANＹ，ＹｕW，DｏNｇET，ETAL．EｆｆEｃTｏｆｒｏLLｉNｇｐｒｏｃESSｏNTEｘTｕｒE EｖｏLｕTｉｏN，MｉｃｒｏSTｒｕｃTｕｒEANDｐｒｏｐEｒTｉESｏｆTC4ALLｏｙSｈEET［Ｊ]．ＲAｒE METALMATEｒｉALSANDENｇｉNEEｒｉNｇ，２０２１，５０（１０）：３５８５－３５９０．

[６] 王偉，宮鵬輝，史亞鳴，等．軋制火次對EB熔煉 TC4鈦合 金顯微組織、織構和力學性能的影響 ［Ｊ／ＯL]．中國有色金 屬學報：１－１８［２０２２－０５－０７]．ｈTTｐ： ／／ｋNS．ｃNｋｉ．NET／ｋｃ MS／DETAｉL／４３．１２３８．TＧ．２０２１１０２５．１６１２．００５．ｈTML WANｇW，ＧｏNｇＰＨ，SｈｉＹM，ETAL．EｆｆEｃTｏｆｒｏLLｉNｇTｉMESｏNMｉ ｃｒｏSTｒｕｃTｕｒE，TEｘTｕｒEANDMEｃｈANｉｃALｐｒｏｐEｒTｉESｏｆEＢMELTｉNｇTC4 TｉTANｉｕMALLｏｙ［Ｊ／ＯL]．TｈEＣｈｉNESEＪｏｕｒNALｏｆNｏNｆEｒｒｏｕSMET ALS：１－１８［２０２２－０５－０７]．ｈTTｐ： ／／ｋNS．ｃNｋｉ．NET／ｋｃMS／DE TAｉL／４３．１２３８．TＧ．２０２１１０２５．１６１２．００５．ｈTML

[７] ＧＢ／T２３６０５—２００９，鈦合金 β轉變溫度測定方法 ［S]． ＧＢ／T２３６０５—２００９，METｈｏDｆｏｒβTｒANSｕSTEMｐEｒATｕｒEDETEｒMｉNA TｉｏNｏｆTｉTANｉｕMALLｏｙS［S]．

[８] ＢAｒNETTMＲ，ＫESTENSL．ＦｏｒMATｉｏNｏｆ｛１１１｝AND｛１１１｝TEｘTｕｒES ｉNｃｏLDｒｏLLEDANDANNEALEDＩＦSｈEETSTEEL［Ｊ]．ＩSＩＪＩNTEｒNATｉｏNAL， １９９９，３９（９）：９２３－９２９．

[９] 王牛俊，羅乾偉．TC4鈦合金板不同加工條件下組織對比研 究 ［Ｊ]．材料開發與應用，2017，３２（４）：９５－１００． WANｇNＪ，LｕｏＱW．ＣｏMｐAｒATｉｖESTｕDｙｏNMｉｃｒｏSTｒｕｃTｕｒEｏｆTC4 TｉTANｉｕMALLｏｙｐLATEｕNDEｒDｉｆｆEｒENTｐｒｏｃESSｉNｇｃｏNDｉTｉｏNS［Ｊ]．DEｖEL ｏｐMENTANDAｐｐLｉｃATｉｏNｏｆMATEｒｉALS，2017，３２（４）：９５－１００．

[１０] 安震，李天麒，王琛，等．Tｉ５５５２１１鈦合金片層組織拉伸過 程裂紋擴展的 SEM原位觀察 ［Ｊ]．稀有金屬材料與工程， ２０１９，４８（３）：８５３－８５８． ANZ，LｉTＱ，WANｇＣ，ETAL．ＩNSｉTｕSEM ｏｂSEｒｖATｉｏNｏｆｃｒAｃｋ ｐｒｏｐAｇATｉｏNｉNLAMELLAｒMｉｃｒｏSTｒｕｃTｕｒEｏｆTｉ５５５２１１TｉTANｉｕM ALLｏｙ DｕｒｉNｇTENSｉLEｐｒｏｃESS［Ｊ]．ＲAｒEMETALMATEｒｉALSANDENｇｉNEEｒ ｉNｇ，２０１９，４８（３）：８５３－８５８．

[１１] 朱 新 杰， 范 群 波，余 洪， 等．Tｉ４５Mｏ５１AL１８Zｒ１１SN ２５Ｃｒ２９ZN鈦合金的動態力學性能及失效研究 ［Ｊ]．稀有 金屬材料與工程，２０２０，４９（４）：１２３５－１２４１． ZｈｕＸＪ，ＦANＱＢ，ＹｕＨ，ETAL．ＲESEAｒｃｈｏNDｙNAMｉｃMEｃｈAN ｉｃALｐｒｏｐEｒTｉESANDｆAｉLｕｒEｏｆTｉ４５Mｏ５１AL１８Zｒ１１SN２５Ｃｒ ２９ZNTｉTANｉｕMALLｏｙ［Ｊ]．ＲAｒEMETALMATEｒｉALSANDENｇｉNEEｒｉNｇ， ２０２０，４９（４）：１２３５－１２４１．

[１２] 劉清華，惠松驍，葉文君，等．不同組織狀態 TC4ELＩ鈦合金動 態力學性能研究 ［Ｊ]．稀有金屬，2012，３６（４）：５１７－５２２． LｉｕＱＨ，ＨｕｉSＸ，ＹEW Ｊ，ETAL．DｙNAMｉｃMEｃｈANｉｃALｐｒｏｐEｒ TｉESｏｆTC4ELＩTｉTANｉｕMALLｏｙWｉTｈDｉｆｆEｒENTMｉｃｒｏSTｒｕｃTｕｒE［Ｊ]． ＣｈｉNESEＪｏｕｒNALｏｆＲAｒEMETALS，2012，３６（４）：５１７－５２２．

[１３] NASｉｒｉAｂAｒｂEｋｏｈＨ， EｋｒAMｉA， ZｉAEｉMｏAｙｙED A A， ETAL． EｆｆEｃTSｏｆｒｏLLｉNｇｒEDｕｃTｉｏNｏNMEｃｈANｉｃALｐｒｏｐEｒTｉESANｉSｏTｒｏｐｙｏｆ ｃｏMMEｒｃｉALLｙｐｕｒETｉTANｉｕM ［Ｊ]．MATEｒｉALS＆ DESｉｇN，2012，３４ （１１）：２６８－２７４．

[１４] 張虎．熱處理工藝對新型高強 β鈦合金組織和性能的影響 ［D]．西安：西安建筑科技大學，2013． ZｈANｇＨ．EｆｆEｃTｏｆＨEATTｒEATMENTＰｒｏｃESSｏNMｉｃｒｏSTｒｕｃTｕｒEAND ＰｒｏｐEｒTｉESｏｆNEWＨｉｇｈSTｒENｇTｈβTｉTANｉｕM ALLｏｙ［D]．Ｘｉ′AN： Ｘｉ′ANＵNｉｖEｒSｉTｙｏｆAｒｃｈｉTEｃTｕｒEANDTEｃｈNｏLｏｇｙ，2013．

相關鏈接