鈦合金具有密度小、比強度高、耐蝕性好、無(wú)磁性等優(yōu)異的性能，作為一種重要的結構材料在航空、航天、化工、艦船、汽車(chē)、兵器、體育、醫療等領(lǐng)域得到了廣泛應用。然而，鈦合金較高的成本限制了其應用范圍。因此，低成本鈦合金的研發(fā)以及鈦合金的低成本化制備技術(shù)仍然是當前最重要的研究熱點(diǎn)[1-4]。降低原料成本、縮短加工流程是降低鈦合金成本的有效途徑。在鈦合金生產(chǎn)中會(huì )產(chǎn)生大量的返回料，其成本只有海綿鈦成本的三分之一。利用電子束冷床爐代替傳統的真空自耗電弧熔煉，可添加50％以上的返回料，能顯著(zhù)降低原料成本。此外，電子束冷床熔煉可生產(chǎn)扁錠，扁錠可直接進(jìn)行軋制，省去了圓錠開(kāi)坯、鍛造等工序，最大限度縮短生產(chǎn)流程，降低消耗，節約成本[5]。電子束冷床爐單次熔煉Ti-6Al-4V鈦合金(國內牌號TC4)鑄錠直接軋制的板材有望在航空、兵器等領(lǐng)域獲 得應用[6]。美國率先針對電子束冷床爐單次熔煉技術(shù)開(kāi)展研究，利用Ti-6Al-4V鈦合金鑄錠軋制了76.2mm、50.8mm、25.4mm和12.7mm的板材。經(jīng)測試，板材的拉伸性能均超過(guò)航空標準的最低要求，有望在戰斗機機翼折起支座及翼肋上獲得應用[7]。針對電子束冷床爐熔煉鑄錠制備的板材，美國于2010年制定了相應的板材標準AMS6945A{Titanium Alloy,Single Melt，Sheet，Strip，and Plate 6Al_4VAnnealed))，并在2014年進(jìn)行了修訂。在國內，寶鈦集團利用從德國ALD公司引進(jìn)的2400 kw電子束冷床爐單次熔煉TC4鈦合金扁錠，直接軋制成8mm厚板材[8-9]，板材室溫力學(xué)性能及抗彈性能滿(mǎn)足國標及使用要求，已獲得應用。

本文研究電子束冷床熔煉爐(Electron Beam Cold Hearth Melting,EBCHM)熔煉TC4鈦合金扁錠直接軋制板材在變形及退火過(guò)程中的顯微組織和力學(xué)性能，力圖揭示板材顯微組織的演化規律及其室 溫力學(xué)性能的變化規律，得到板材強度與塑性最佳匹配的退火工藝，旨在為該合金板材的低成本工業(yè)化批量生產(chǎn)提供參考。

1、試驗材料與方法

利用海綿鈦、鈦合金返回料等原料在電子束冷床爐上熔煉出270mm×1085mm×5000mm規格TC4鈦合金扁錠，其化學(xué)成分符合GB/T 3620.1—2007《鈦及鈦合金牌號和化學(xué)成分》標準要求，金 相法測得其β轉變溫度為974℃。鑄錠經(jīng)機加工處理后，在1200mm四輥可逆式熱軋機上在相變點(diǎn)以下20~50℃采用交叉換向工藝多火次軋制成8mm厚板材，按(720～950)℃×1h空冷工藝進(jìn)行 退火。對鑄錠至板材變形過(guò)程中以及退火后板材的顯微組織和室溫力學(xué)性能進(jìn)行分析測試，并優(yōu)選出顯微組織和力學(xué)性能匹配最佳的熱處理工藝。室溫力學(xué)性能測試按照GB／T 228-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》標準在CMT 5105電子萬(wàn)能試驗機上進(jìn)行，金相觀(guān)察分析在A(yíng)xiovert 200MAT金相顯微鏡下進(jìn)行。

2、試驗結果與分析

2.1 變形過(guò)程中板材的組織與性能

圖1為經(jīng)不同火次變形后TC4鈦合金板材的顯微組織照片。由圖1(a)可見(jiàn)電子束冷床爐熔煉的TC4鈦合金扁錠晶粒粗大，晶內為樹(shù)枝晶組織。經(jīng)一火變形后，鑄態(tài)的樹(shù)枝晶組織被破碎，形成柱狀組織，見(jiàn)圖1(b)。經(jīng)兩火變形后，粗大的晶粒破碎為細小晶粒，柱狀組織轉變?yōu)榈容S或長(cháng)條狀組織，并且沿軋制方向被壓扁或拉長(cháng)，見(jiàn)圖1(c)。魏壽庸等人[10]在Ti-6Al-2Zr-2V-1.5Mo鈦合金板材變形過(guò)程中也發(fā)現有類(lèi)似現象。經(jīng)三火變形后獲得成品板材，晶粒進(jìn)一步細化，長(cháng)條狀組織更多轉變?yōu)榈容S狀α+β轉變組織，見(jiàn)圖1(d)。變形過(guò)程中晶粒的細化和組織的演變與其室溫力學(xué)性能的高低密切相關(guān)。

表1所示為經(jīng)不同火次變形后板材的室溫力學(xué)性能。由表1中數據可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)軋制變形后，板材的室溫拉伸強度和塑性均呈增大趨勢。與TC4鈦合金鑄錠的力學(xué)性能相比，不同火次軋制變形后板材的強度和塑性得到明顯的提高。這是因為組織決定性能，細小的等軸組織可以獲得較高的強度和塑性。金屬變形時(shí)的強度和塑性與位錯滑移長(cháng)度有關(guān)，位錯滑移長(cháng)度越短，強度和塑性越高。等軸組織的位 錯滑移長(cháng)度是由等軸組織中初生α相的含量決定的，等軸α相越多，晶粒越細小，位錯滑移長(cháng)度越短，產(chǎn)生的位錯塞積越少，具有更好的強度和塑性。在軋制變形過(guò)程中，變形充分能使更多的滑移系的位錯源啟動(dòng)，產(chǎn)生相應的滑移，也有利于初生α相的球化；此外，變形程度越大，因受流動(dòng)應力被破碎的棒狀α數量越多，可為再結晶提供更多的形核機會(huì )。表l中板材的室溫力學(xué)性能的變化規律與圖1 中顯微組織的演化規律相吻合。

2.2退火處理后板材的組織與性能

圖2為板材經(jīng)(720～950)℃×1h+AC退火后的顯微組織。從圖2中可以看出，當退火溫度較低時(shí)(720～820℃)，顯微組織無(wú)明顯變化，以長(cháng)條狀或等軸狀α+β轉變組織為主，晶粒尺寸大小和形態(tài)十分相似，見(jiàn)圖2(a)～(d)。文獻[10-11]也發(fā)現低溫退火時(shí)的組織與軋制態(tài)組織相似。退火溫度升高到820℃以上，板材的顯微組織較低溫時(shí)發(fā)生了明顯變化，表現為等軸初生α相含量開(kāi)始逐漸減少、尺寸逐漸增大，晶粒向等軸化轉變，而β轉變組織的含量逐漸增多(見(jiàn)圖2(e)、(f))，并且有片狀次生α相從β轉變組織中析出(見(jiàn)圖2(f)、(g))。

鈦合金在熱處理時(shí)顯微組織的變化將導致其室溫力學(xué)性能的變化[12-15]。圖3所示為經(jīng)(720～950)℃×1 h+AC退火處理后板材的室溫力學(xué)性能，不同溫度退火后板材的室溫力學(xué)性能均滿(mǎn)足GB/T3621-2007《鈦及鈦合金板材》標準要求(R_m≥2895 MPa，R_p0.2≥830 MPa，A>≥10％)。由圖3可以看出，隨著(zhù)退火溫度從720℃升高到950℃，板材的室溫抗拉強度尺。呈現先增大后逐漸減小的趨勢，在820℃達到最大值，規定塑性延伸強度尺R_p0.2和斷面收縮率Z總體上呈現下降的趨勢，而伸長(cháng)率彳則變化不大。這是由于在室溫下合金的抗拉強度隨著(zhù)等軸組織的變化而變化，合金中等軸組織含量高，其抗拉強度也高[16]；當退火溫度逐漸升高至820℃時(shí)，合金中等軸α相的含量最多，因此其抗拉強度達到最大值；隨著(zhù)退火溫度的繼續升高，合金中等軸α相的含量逐漸減少，其抗拉強度逐漸下降。雖然隨著(zhù)退火溫度的升高，合金中析出片狀次生α相，抗拉強度會(huì )增大，但由于溫度較高，合金中等軸α相的含量減少比較明顯，且晶粒進(jìn)一步粗化(見(jiàn)圖2(g))，使合金的抗拉強度明顯降低。

由圖3還可看出，經(jīng)(750"--820)℃×l h+AC退火處理后，雖然板材的規定塑性延伸強度R_p0.2和斷面收縮率Z略有下降，但變化幅度不大。綜合考慮，在該溫度范圍內退火處理的TC4鈦合金板材可獲得強度與塑性的最佳匹配，在工業(yè)化批量生產(chǎn)時(shí)推薦采用該熱處理工藝。

3、結論

(1)隨著(zhù)軋制變形火次的增加，電子束冷床爐熔煉的TC4鈦合金扁錠粗大的鑄態(tài)晶粒被破碎，枝晶組織轉變?yōu)榈容S或長(cháng)條狀α+β轉變組織，板材的室溫力學(xué)性能顯著(zhù)提高。

(2)TC4鈦合金板材退火后，組織更加均勻等軸化，隨著(zhù)溫度的升高，析出片狀次生α相，初生α含量減少；板材的抗拉強度呈現先增大后減小的趨勢，規定塑性延伸強度和斷面收縮率總體呈現 下降趨勢，而伸長(cháng)率則變化不大。

(3)經(jīng)(750～820)℃xl h+AC退火處理后，TC4鈦合金板材可獲得強度與塑性的最佳匹配。

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