医用TC4钛合金板热轧过程显微组织研究

钛及钛合金以其优异的性能广泛应用于航空航天、航海、军用装备、医疗器械等尖端科学领域，被誉为“第三金属”和“战略金属”。例如钛及钛合金因其强度高、比重小、生物相容性好和优良的综合力学性能等被越来越多地应用于外科植入领域。但纯钛强度低，无法用于制作人体髋关节、接骨钉和螺钉等高强度承力构件。为提高强度和耐磨性，在纯钛金属中加入合金元素从而得到钛合金，如Ti-6Al-4V。

外科植入钛合金出于医疗安全考虑，对于材料内在品质要求苛刻。要获得更为可靠安全的Ti-6Al-4V钛合金板，在材料的锻造轧制等加工环节必须进行严格的工艺控制，使其获得较为理想、均匀的细晶粒组织，提高临床抗疲劳寿命。本文通过比对不同的加工方式，研究Ti-6Al-4V钛合金板材在锻造、轧制热、加工过程中的组织演变，并进行分析评估，为制备生产高品质Ti-6Al-4V钛合金板奠定技术基础并提供工艺理论依据。

1、实验方法

实验选用620mm三次真空自耗电弧熔炼(VAR)TC4铸锭，通过测定，可知材料相变点为982℃。其化学成分见表1。

将铸锭沿长度方向锯切成两等分，作为本实验后续锻造及轧制热加工的锭坯，然后对锭坯进行2种不同形式的锻造及多火次换向轧制，并进行金相组织分析。按体积比HF：HNO₃：H₂O=1：3：10的酸配比进行腐蚀实验，采用BX51Olympus金相显微镜进行金相分析。

2、实验结果

对板厚δ=180mm的锭坯进行常规锻造及多火次换向轧制后，材料内部组织演变如图1所示。

采用常规锻造的板坯为网篮组织，多火次换向轧制后，组织破碎成杆状并伴有扭曲，最终获得等轴与少量条状组织。采用墩拔锻造的板坯为双态组织，一火轧制后获得“双套组织”-粗等轴加细等轴(次生α相破碎成细等轴或者椭圆短杆状)，二火换向轧制后获得“三套组织”-粗等轴加少量细等轴加沿轧制方向长条状(初生α相略有长大，更加圆整，次生相在热轧变形过程中破碎)。由于板材热轧减薄变形过程中，金属塑性流动具有“各向异性”的特点，(α+β)两相区的热变形呈现一个动态再结晶过程。细片层α相在热变形过程中破碎、球化。相对于细片层组织，初生等轴α相在热变形应力作用下，很难破碎分解成更细小的等轴组织，这也导致常规锻造坯料的前两火次轧制所获得初生相更为细小。

3、结果分析

在制作δ=180mm板坯的锻造环节，采用常规锻造后Ti-6Al-4V钛合金获得典型网篮组织，即(α+β)相。由于在板坯内晶向不同，在后续大变形换向轧制过程中，片层α相在外力作用下被打断，逐步变成长杆状、短杆状，如图2所示。同时，换向轧制使板坯组织发生横向与纵向交替变换。在外力作用下，片层α相被打断、破碎并伴随扭曲弯折变形，直至最后变成球状。如图1所示的组织演变过程中，伴有少量沿着轧制方向的细杆状α相。

相比常规锻造，换向墩拔锻造实现了三维立体的热塑性变形，锻透性好，条状α相被破碎，获得“初生等轴α相+次生条状转变α+β相”的双态组织，在后续多火次大变形换向轧制过程中，组织演变可以分为两个阶段：

1)次生条状转变(α+β)相。在热塑性变形时，条状α相组织晶粒发生图3(b)中从②至④的演变，逐步被外力作用破碎成细小颗粒状，根据板材轧制塑性变形情况及受力特点，有些位向的α相沿轧制方向发生挤压拉长，即图1(e)、(f)所示。

2)相对于次生条状转变(α+β)相，初生等轴相由于晶粒尺寸大、等轴性好，在单向挤压热塑性轧制变形过程中，晶粒分解破碎较为迟缓，需要更大程度的塑性变形才能使其进一步破碎成更为细小的等轴状仅相，并在外力作用下，沿着轧制方向发生一定程度的挤压拉长，形成图1(e)、(f)中的组织形貌。图1(g)、(h)所示为进一步换向轧制塑性变形时，等轴状相组织品粒进一步破碎为更细小晶粒。综上分析，Ti-6Al-4V钛合金板材在经过换向墩拔、多次火轧后可获得组织均匀、晶粒细化的等轴相组织，有利于提高Ti-6Al-4V钛合金综合力学性能。

4、结论

1)通过对钛合金进行常规锻造，获得的板坯显微组织为(α+β)网篮组织，晶界有连续α相；换向墩拔锻造后可获得“初生等轴α相+次生条状转变(α+β)相”的双态组织。

2)常规锻造后的板坯组织被逐步拉长、破碎，随着变形加大，最后可转变为“等轴α相+细短杆α相”组织；墩拔锻造板坯经多火次轧制后，随着变形量加大，原始双态组织(等轴α相及转变(α+β)相)被破碎并细化，逐步演变成完全等轴α相，组织均匀性良好。

参考文献：

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