引言
钛及其合金具有耐热、耐蚀、无磁性和比强度高等特点,被广泛应用于医疗、化工、核工业、海洋工程等领域［1-2］。TC4钛合金即Ti-6Al-4V合金,是两相合金,具有良好的焊接性能和加工性能等，是目前应用最广泛的钛合金之一［3-4］。
目前对TC4合金热处理工艺的研究较多。冉兴等［5］研究了固溶温度对Ti-6Al-4V钛合金显微组织和性能的影响,结果表明:提高固溶温度会减少组织中初生α相含量，使β相晶粒尺寸和片层α相厚度增大，并使合金强度先升高后降低;952℃固溶处理随后时效处理的合金抗拉强度达到最大值（915MPa）;此外提高固溶温度会使合金发生韧-脆混合断裂。吴晨等［6］研究了航天紧固件用TC4钛合金棒材固溶和时效后的组织和性能，结果表明:经固溶和时效处理后，从棒材表面到心部的力学性能受冷却速率的影响较大，显微组织由等轴α相、α'相及亚稳定β相组成，棒材端面的次生α相含量及形态差异较小，棒材中部至心部的次生α相含量与片层厚度均增大。
虽然目前对TC4合金的热处理工艺研究较多,但大多是研究固溶和时效处理工艺，对退火工艺的研究较少。本文对TC4钛合金进行不同温度的退火处理，研究退火温度对其显微组织和力学性能的影响。
1、试验材料与方法
采用小颗粒海绵钛和铝-钒中间合金为原料,按Ti-6Al-4V合金的名义成分配料并压制成电极。
为使合金成分更均匀，采用真空自耗电弧炉熔炼3次制成铸锭，随后将铸锭进行多火次锻造成棒材，实测化学成分（质量分数）为6.34%Al、4.3%V、0.12%O、0.156%Fe。
因为TC4为α+β双相钛合金，故相变点的测定是确定退火温度的重要参数之一，采用DSC-TG热分析仪测定的试验用TC4钛合金的相转变温度为990℃通常,α+β两相钛合金的热处理温度应低于相变点，故本文确定退火工艺为分别在920℃、940℃、960℃、980℃保温1h空冷。随后沿棒材纵向取样，按常规方法制备金相试样和按GB/T228.1—2010制备拉伸试样。金相试样采用HF：HNO3:比0=1：3：6（体积比）的腐蚀液浸蚀，设备为Ziess金相显微镜;在AG-X型万能试验机上进行拉伸试验，拉伸加载速率为1mm/min。
2、试验结果与讨论
2.1显微组织
图1为不同温度退火的TC4合金的显微组织,可以发现，当920C退火的合金均有大量初生α相和针状α相。通常,TC4合金在退火的冷却过程中主要发生β-α和β-α'相变，会形成大量亚稳定β相。α'相的晶体结构为六方马氏体，通过切变方式形成,其形成条件为较快的冷却速率,因为本文退火为空冷，故可以断定合金中无α';相形成，细小针状相为次生α相。940℃退火的合金显微组织无明显变化。960℃退火的合金初生α相含量大幅度降低，析出的次生α相含量明显增加。980℃退火的合金，因退火温度接近相变点，其初生α相几乎消失,有明显的粗大β晶粒。可以发现，随着退火温度的升高，合金中初生α相含量减少，其形貌逐渐成为等轴状,说明在α-β相转变过程中，细小的α相最先溶解，随后粗大α相溶解。
合金中次生α相的析出受冷却速率及基体中α相稳定元素含量的影响［7］。退火温度较低时，β相中α相稳定元素含量较低，导致β相的稳定性较高，冷却时,β相仅在初生α相界面发生扩散，仅有较少次生α相析出。在较高温度退火会增加β相中α相稳定元素的含量,冷却时，较快的冷却会导致α相稳定元素不能充分扩散，在吉布斯自由能的作用下,β相中会以扩散的方式析出较多的次生α相［8］。
2.2拉伸性能
图2为不同温度退火的TC4合金的拉伸性能。
图2表明，在920℃和940℃退火的合金的强度比较接近；随着退火温度的升高,合金的强度提高不明显,960℃退火的合金强度提高幅度较大，但其塑性显著降低;980C退火的合金强度达到最大值，抗拉强度(Rm)为973MPa,屈服强度(R㈣)为961MPa,但塑性最差，断后伸长率(A)为2%,断面收缩率(Z)为8%。总体上看，随着退火温度的提高，合金的强度升高，塑性降低。随着退火温度的升高，合金的拉伸性能发生上述变化的原因可从其退火后的显微组织变化中找到⑼。退火温度较低(920℃,940℃)时，合金在塑性加工中产生的破碎组织会在退火过程中发生回复和再结晶,合金中形成大量等轴状初生α相，因为初生α相中可开动的滑移系较多，且可调节塑性变形,导致合金的强度较低而塑性较高。退火温度较高(960℃、980℃)时，合金中初生α相含量大幅度降低，同时析出大量次生α相，因为次生α相细小均匀，拉伸过程中在位错滑移至次生α相时，易形成位错塞积,继续滑移需施加更大的外力，导致合金的强度较高。此外，因为此时合金中已形成了粗大β相，拉伸过程中β相晶界易形成空洞并迅速扩展,导致合金开裂，塑性大幅度降低［10］。
2.3断口形貌
图3为不同温度退火的TC4合金的拉伸断口的微观形貌，可以发现，为920℃退火的合金［图3(a)］和940C［图3(b)］退火的合金其拉伸断口的微观形貌较近似,均由大量韧窝组成,韧窝以等轴状为主，并有部分解离小平面,具有韧性断裂特征。韧窝的形成过程:试样在拉伸过程中,较快的应变速率导致位错滑移产生应力集中，形成少量微孔;随着拉伸的进行，位错在滑移过程中受到的排斥力减小,并有少量位错进入微孔,使位错源被再次激活;由于塑性变形过程中不断产生新位错并进入微孔，导致微孔扩展,微孔聚集于拉伸断口时会留下痕迹,最终形成韧窝[11]。通常，断口中韧窝的数量与形貌反映合金的塑性,如果韧窝的数量较多且较深，则合金的塑性较好;如果韧窝数量较少且较浅,则合金的塑性较差，图3(a,b)表明,TC4合金具有较高的塑性，与图2结果一致。
960℃[图3(c)]和980℃[图3(d)]退火的合金拉伸断口中韧窝数量大幅度减少,有明显的撕裂棱和解离台阶，以河流状形貌为主,还有大量细小的韧窝，所以合金的强度高、塑性低。
3、结论
(1)在920、940、960和980℃退火的TC4钛合金组织主要由初生α相和次生α相组成，随着退火温度的升高，初生α相含量减少，其形貌成为等轴状,而次生α相含量增加，且有粗大P相形成。
(2)随着退火温度的升高，合金的强度升高,塑性降低；980C退火的合金强度最高，抗拉强度为973MPa，屈服强度为961MPa，塑性最差，断后伸长率为2%,断面收缩率为8%。
(3)920C和940C退火的合金拉伸断口有大量等轴状韧窝，并有解离小平面，具有韧性断裂特征；960℃和980℃退火的合金拉伸断口韧窝数量大幅度减少,有明显的撕裂棱和解离台阶,具有韧性—脆性断裂特征。
参考文献
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