分享：热处理对TC4钛合金板材韧性的影响

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。

1.   实验方法

1.1   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	Al	V	Fe	C	N	H	O	Ti
A	6.3	4.1	0.15	0.01	0.01	0.004	0.12	其余
B	6.2	4.2	0.17	0.01	0.01	0.005	0.18	其余

1.2   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

制度	工艺1	工艺2	工艺3	工艺4	工艺5	工艺6	工艺7	工艺8
温度/℃	700	740	780	820	860	900	940	980

1.3   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。

2.   结果与讨论

2.1   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

温度/℃	板材A				板材B
	T1	T2	T3	平均值	T1	T2	T3	平均值
热轧态	73	76	78	75.7	40	42	47	43.0
700	63	64	63	63.3	34	35	33	34.0
740	59	60	62	60.3	39	35	38	37.3
780	57	60	58	58.3	33	35	33	33.7
820	64	64	59	62.3	37	39	37	37.7
860	81	73	69	74.3	40	40	42	40.7
900	86	80	81	82.3	51	49	50	50.0
940	75	75	76	75.3	53	49	52	51.3
980	65	64	59	62.7	47	45	47	46.3

2.2   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。

图  1  板材A、B热轧态及退火态显微组织照片

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。

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。

2.3   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。

3.   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。

来源--金属世界