热处理工艺对TC4钛合金管组织和性能的影响

钛及钛合金作为一种先进的轻量化结构材料，凭借其优异的综合性能，已成为航空领域最具吸引力的材料之-[1，2]。钛合金抗蚀性能优异，密度小，疲劳强度和抗裂纹扩展能力好，在航空、航天、汽车、造船、能源等行业具有广泛的应用前景。

TC4钛合金是目前应用最广泛的钛合金，它的强度高，耐蚀性好，但目前国内外无缝钛管市场上很难见到TC4材质的无缝钛管。TC4钛材主要以板材为主，市场上的TC4管材以热挤压或斜穿孔等方法生产的高强度厚壁管为。TC4钛合金的强度高，冷轧成形难度大，如采用直接冷轧成形工艺生产高强度钛合金管材，不仅大大降低生产成本，同时可满足对钛合金高性能应用场合的要求[3]。

目前，国内外关于Ti-6Al-4V合金管材温轧的研究较多，但对于冷轧的研究较少。本文通过进行不同温度的热处理实验，研究了热处理工艺对Ti-6Al-4V合金管材组织及性能的影响规律，希望能对该合金管材的应用和推广提供一定的参考。

1、实验

实验选择宁夏东方钽业股份有限公司钛材分公司生产的φ600mm的3吨TC4合金铸锭(化学成分见表1)为原料，铸锭经过锻造开坯、钻孔、扒皮制备成挤压空心挤压坯。然后采用箱式电阻炉(控温精度为士1℃，炉温均匀性4-10℃)加热，在35MN卧式钢管快速挤压机上热挤压制各TC4钛合金管坯。对挤压管坯进行酸洗、扒皮后，在两辊环孔型冷轧管机上进行开坯轧制，然后进行除油和中间退火，为后续冷轧实验做好准备。

合金管材的冷轧实验是在三辊冷轧管机上进行，变形量分别为26％、36％、46％得到外径为40.45mm的管材。随后，对冷轧管材进行不同温度的真空退火处理，退火温度分别为750℃、800℃、850℃、900℃，保温时间为1h，管材随炉冷却，并在200℃左右以充氩气的方式加快冷却速度。

沿管材纵向切取样坯，按照《GB/ T228．2002金属材料室温拉伸试验法》制样，在WDW-B100G电子万能实验机上进行拉伸性能测试。同时，按照《GB/T 5168-2008 α-β钛合金高低倍组织检验方法》标准要求进行金相制备，采用0IYMPUS GX51金相显微镜进行显微组织的观察。

2、结果与讨论

2.1 TC4合金挤压管坯的组织及性能

图1为Ti-6A1-4V合金在900"C"一950"C温度下挤压后的显微组织。从图1中可以看出，Ti-6Al-4V合金挤压管坯为双态组织。表2为Ti-6Al-4V合金挤压态和退火态的室温拉伸性能。

2.2 冷轧变形量对管材微观组织的影响

分别在26％、36％、46％不同变形量冷轧加工后的TC4钛合金管材上取样观察显微组织，各变形量对应的显微组织如图l所示；由图1可以看出，管材在加工前为等轴组织，随着 加工率的增大，等轴组织被拉长，形成纤维状的变形组织，变形量越大，组织拉长越明显。

2.3 冷轧变形量对管材力学性能的影响

合金管材经不同变形量冷轧加工后的拉伸性能如图3所示：随着变形量的增加，抗拉强度和屈服强度显著提高，延伸率下降，随后变化趋势逐渐变缓。当变形量达到46％时，管材局部出现连续性月牙状缺陷和裂纹。

2.4 退火温度对管材微观组织的影响

图4为不同热处理温度下管材的显微组织。由图4可以看出：管材在750℃以上退火后，管材组织发生在结晶，随着退火温度的升高，等轴再结晶晶粒所占比例逐渐变大；当退火温度大于850℃时，管材再结晶晶粒 均匀长大。

2.5 退火温度对管材力学性能的影响

对经过36％变形量轧制的管材试样分别在750℃、800℃、850℃、900℃热处理1h后，随炉冷却到200℃左右，然后冲氩气加快管材冷却速度。图5为退火温度对TC4钛合金管材室温力学性能的影响曲线。随着热处理温度的升高，管材的强度呈现下降趋势，塑性呈现上升趋势；当退火温度超过850℃时，管材的强度略有上升，但塑性急剧下降。

塑性决定了管材的冷加工性能，塑性越高，管材越容易加工变形。图5表明：最适宜管材冷轧的退火温度为800～850℃之间，屈服强度在810Mpa左右，延伸率约为18％，塑性较好。

3、结论

1)加工率对TC4钛合金管材冷轧性能影响很大，当加工率约为36％时，冷轧管材可获得较好的综合性能，当加工率达到46％时，冷轧管材表面出现连续性月牙状缺陷和裂纹。

2)管材在750℃以上退火后，管材组织发生在结晶，随着退火温度的升高，等轴组织所占比例逐渐变大；当退火温度大于850℃时，管材再结晶组织均匀长大。

3)随着退火温度的升高，管材强度下降、延伸率升高。但当退火温度超过850℃时，管材强度升高，延伸率下降。最适宜管材冷轧的退火温度为800～850℃之间，屈服强度在810Mpa左右，延伸率约为18％，塑性较好。

参考文献

[1] Jiang Zhiqiang(江志强)，Yang He(杨合)，Zhan Mei(詹梅)et a1．Journal of Plasticity Engineering(塑性工程学报)[J】．2009，16(4)：44·50

[2] Zhang Yafeng(张亚峰)，Yu Zhengtao(于振涛)，Yu sen(余森)et a1．1ltanium Industry erogress[J]．2012，29：3

[3] Jin Vunxue(金云学)，Li Kai”e(李凯碉)，Chen Hongmei(陈洪美)et a1．Heat Treatment ofMetals[J]．2012：9

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