鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕性好、無磁性等優(yōu)異的性能，作為一種重要的結(jié)構(gòu)材料在航空、航天、化工、艦船、汽車、兵器、體育、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，鈦合金較高的成本限制了其應(yīng)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(dāng)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?zhèn)鹘y(tǒng)的真空自耗電弧熔煉，可添加50％以上的返回料，能顯著降低原料成本。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，省去了圓錠開坯、鍛造等工序，最大限度縮短生產(chǎn)流程，降低消耗，節(jié)約成本[5]。電子束冷床爐單次熔煉Ti-6Al-4V鈦合金(國內(nèi)牌號(hào)TC4)鑄錠直接軋制的板材有望在航空、兵器等領(lǐng)域獲
得應(yīng)用[6]。美國率先針對(duì)電子束冷床爐單次熔煉技術(shù)開展研究，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航空標(biāo)準(zhǔn)的最低要求，有望在戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼折起支座及翼肋上獲得應(yīng)用[7]。針對(duì)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(yīng)的板材標(biāo)準(zhǔn)AMS6945A{Titanium Alloy,Single Melt，Sheet，Strip，and Plate 6Al_4VAnnealed))，并在2014年進(jìn)行了修訂。在國內(nèi)，寶鈦集團(tuán)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)性能及抗彈性能滿足國標(biāo)及使用要求，已獲得應(yīng)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(guī)律及其室
溫力學(xué)性能的變化規(guī)律，得到板材強(qiáng)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(yàn)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(guī)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(hào)和化學(xué)成分》標(biāo)準(zhǔn)要求，金
相法測得其β轉(zhuǎn)變溫度為974℃。鑄錠經(jīng)機(jī)加工處理后，在1200mm四輥可逆式熱軋機(jī)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(duì)鑄錠至板材變形過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(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)在CMT 5105電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，金相觀察分析在Axiovert 200MAT金相顯微鏡下進(jìn)行。
2、試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 變形過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)可見電子束冷床爐熔煉的TC4鈦合金扁錠晶粒粗大，晶內(nèi)為樹枝晶組織。經(jīng)一火變形后，鑄態(tài)的樹枝晶組織被破碎，形成柱狀組織，見圖1(b)。經(jīng)兩火變形后，粗大的晶粒破碎為細(xì)小晶粒，柱狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S或長條狀組織，并且沿軋制方向被壓扁或拉長，見圖1(c)。魏壽庸等人[10]在Ti-6Al-2Zr-2V-1.5Mo鈦合金板材變形過程中也發(fā)現(xiàn)有類似現(xiàn)象。經(jīng)三火變形后獲得成品板材，晶粒進(jìn)一步細(xì)化，長條狀組織更多轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S狀α+β轉(zhuǎn)變組織，見圖1(d)。變形過程中晶粒的細(xì)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(shù)據(jù)可見，經(jīng)過軋制變形后，板材的室溫拉伸強(qiáng)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(qiáng)度和塑性得到明顯的提高。這是因?yàn)榻M織決定性能，細(xì)小的等軸組織可以獲得較高的強(qiáng)度和塑性。金屬變形時(shí)的強(qiáng)度和塑性與位錯(cuò)滑移長度有關(guān)，位錯(cuò)滑移長度越短，強(qiáng)度和塑性越高。等軸組織的位
錯(cuò)滑移長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(xì)小，位錯(cuò)滑移長度越短，產(chǎn)生的位錯(cuò)塞積越少，具有更好的強(qiáng)度和塑性。在軋制變形過程中，變形充分能使更多的滑移系的位錯(cuò)源啟動(dòng)，產(chǎn)生相應(yīng)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(yīng)力被破碎的棒狀α數(shù)量越多，可為再結(jié)晶提供更多的形核機(jī)會(huì)。表l中板材的室溫力學(xué)性能的變化規(guī)律與圖1
中顯微組織的演化規(guī)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(dāng)退火溫度較低時(shí)(720～820℃)，顯微組織無明顯變化，以長條狀或等軸狀α+β轉(zhuǎn)變組織為主，晶粒尺寸大小和形態(tài)十分相似，見圖2(a)～(d)。文獻(xiàn)[10-11]也發(fā)現(xiàn)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(xiàn)為等軸初生α相含量開始逐漸減少、尺寸逐漸增大，晶粒向等軸化轉(zhuǎn)變，而β轉(zhuǎn)變組織的含量逐漸增多(見圖2(e)、(f))，并且有片狀次生α相從β轉(zhuǎn)變組織中析出(見圖2(f)、(g))。
鈦合金在熱處理時(shí)顯微組織的變化將導(dǎo)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)性能均滿足GB/T3621-2007《鈦及鈦合金板材》標(biāo)準(zhǔn)要求(Rm≥2895 MPa，Rp0.2≥830 MPa，A>≥10％)。由圖3可以看出，隨著退火溫度從720℃升高到950℃，板材的室溫抗拉強(qiáng)度尺。呈現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢，在820℃達(dá)到最大值，規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度尺Rp0.2和斷面收縮率Z總體上呈現(xiàn)下降的趨勢，而伸長率彳則變化不大。這是由于在室溫下合金的抗拉強(qiáng)度隨著等軸組織的變化而變化，合金中等軸組織含量高，其抗拉強(qiáng)度也高[16]；當(dāng)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(qiáng)度達(dá)到最大值；隨著退火溫度的繼續(xù)升高，合金中等軸α相的含量逐漸減少，其抗拉強(qiáng)度逐漸下降。雖然隨著退火溫度的升高，合金中析出片狀次生α相，抗拉強(qiáng)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(見圖2(g))，使合金的抗拉強(qiáng)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(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2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(nèi)退火處理的TC4鈦合金板材可獲得強(qiáng)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(jié)論
(1)隨著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(zhuǎn)變?yōu)榈容S或長條狀α+β轉(zhuǎn)變組織，板材的室溫力學(xué)性能顯著提高。
(2)TC4鈦合金板材退火后，組織更加均勻等軸化，隨著溫度的升高，析出片狀次生α相，初生α含量減少；板材的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度和斷面收縮率總體呈現(xiàn)
下降趨勢，而伸長率則變化不大。
(3)經(jīng)(750～820)℃xl h+AC退火處理后，TC4鈦合金板材可獲得強(qiáng)度與塑性的最佳匹配。
參考文獻(xiàn)：
[1]郭瑞萍，孫葆森，高彬彬．兵器裝備用鈦合金的低成本制造技術(shù)[J]．兵器材料科學(xué)與工程，2008，31(5)：83—86．
Guo Ruiping，Sun Baosen，Gao Bingbing．Low cost manufacturing technology of titanium alloy used in ordnance equipment[J]．Ordnance Material Science and Engineering，2008，31(5)：83—86．
[2]高娃，張存信．低成本鈦合金制備技術(shù)及其軍事應(yīng)用[J]．鈦工業(yè)進(jìn)展，2008，25(3)：6．10．
Gao Wa，Zhang Cunxin．Process of the low-cost titanium alloys and its military application[J]．Titanium Industry Progress，2008，25(3)：6-10．
[3]張文毓．高性能低成本鈦合金研究進(jìn)展[J]．航空制造技術(shù)，2011(5)：74-76，79．
Zhang Wenyu．Research progress of high-performance and low cost titanium alloy[J]．Aeronautical Manufacturing Technology,201 1(5)：74-76，79．
[4]朱知壽，商國強(qiáng)，王新南，等．低成本高性能鈦合金研究進(jìn)展[J1．鈦工業(yè)進(jìn)展，2012，29(6)：1-5．
Zhu Zhishou，Shang Guoqiang，Wang Xinnan，et a1．Research and development of low cost and high performance titanium alloys[J]．Titanium Industry Progress，2012，29(6)：1-5．
[5]陳峰，陳麗，國斌，等．電子束冷床熔煉的優(yōu)與劣[J]．中國有色金屬學(xué)報(bào)，2010，20(s1)：873．876．
Chen Feng，Chen Li，Guo Bin，et a1．Advantages and disadvantages of electron beam cold hearth melting[J]．The Chinese Journal ofNonferrous Metals，2010，20(s1)：873-876．
[6]于蘭蘭，毛小南，張英明，等．電子束冷床爐單次熔煉鈦合金鑄錠研究進(jìn)展[J]．鈦工業(yè)進(jìn)展，2009，26(2)：14—18．
Yu Lanlan，Mao Xiaonan，Zhang Yingming，et a1．Development of electron-beam cold hearth singlemelt process for titanium alloy ingots[J]．Titanium Industry Progress，2009，26(2)：14-1 8．
[7]Wood J R，F(xiàn)anning J C．Direct production of Ti-6Al-4V alloy plate from electron beam cold hearth melted slab ingot[C]//Liitjering G Albrecht J．Ti-2003 Science and Technology,Proceedings of the 10th World Conference on Titanium，Volume I，WILEY-VCH Verlag GmbH&Co．KGaA，Weinheim，2003：181．188．
[8]馮秋元，龐洪，喬璐，等．低成本TC4鈦合金板材研制[J]．中國有色金屬學(xué)報(bào)，2013，23(s 1)：353．357．
Feng Qiuyuan，Pang Hong，Qiao Lu，et a1．Preparation of low-cost TC4 titanium alloy sheet[J]．The Chinese Journal ofNonferrous Metals，2013，23(s1)：353-357．
[9]佟學(xué)文，惠松驍，喬璐，等．一種高動(dòng)態(tài)承載性能、低成本鈦合金的制備方法：中國，CN 104451213 A[P]．2015-03-25．
[10]魏壽庸，郭志軍，王永強(qiáng)，等，Ti-6Al-2Zr-2V-1.5Mo合金厚板的組織性能[J]．中國鈦業(yè)，2012(1)：15—17．
Wei Shouyong，Guo Zhijun，Wang Yongqiang，et a1．Microstructure and properties of Ti-6A1-2Zr-2V-1.5Mo alloy plate[J]．China Titanium Industry,2012(1)：15-17．
[11]王蕊寧，楊建朝，呂利強(qiáng)，等．不同熱處理工藝對(duì)工業(yè)TC4合金板材組織和性能的影響[J]．鈦工業(yè)進(jìn)展，2010，27(6)：27-29．
Wang Ruining，Yang Jianchao，Lv Liqiang，et a1．Influence of heat-treatmenton microstructure and mechanical properties ofTC4 plate[J]．Titanium Industry Progress，2010，27(6)：27-29．
[12]顧曉輝，劉君，石繼紅．淬火、時(shí)效溫度對(duì)TC4鈦合金組織和力學(xué)性能的影響[J]．金屬熱處理，201 1，36(2)：29-33．
Gu Xiaohui，Liu Jan，Shi Jihong．Influence of quenching and aging temperature on microstructure and mechanical properties ofTC4 titanium alloy[J]．Heat Treatment ofMetals，201 1，36(2)：29-33．
[13]何軍利，毛小南，張鵬省．循環(huán)熱處理溫度對(duì)TC4鈦合金組織和力學(xué)性能的影響叨．金屬熱處理，2013，38(2)：62-66．
He Junli，Mao Xiaonan，Zhang Pengsheng．Effect of cycling temperature on microstructure and mechanical properties ofTC4 alloy[J]．Heat Treatment ofMetals，2013，38(2)：62-66．
[14]宋洪超，梁益龍，王攀智，等．等溫處理對(duì)TC4鈦合金組織和性能的影響[J]．金屬熱處理，2013，38(1 1)：18—20．
Song Hongchao，Liang Yilong，Wang Panzhi，et a1．Effect of isothermal treatment on microstructure and mechanical properties ofTC4 titanium alloy[J]．Heat Treatment ofMetals，2013，38(11)：18—20．
[15]甘章華，梁宇，王錦林，等．熱處理工藝對(duì)TC4鈦合金組織及硬度的影響[J]．金屬熱處理，20 14，39(9)：36-40．
Gan Zhanghua，Liang Yu，Wang Jinlin，et a1．Effects of heat treatment process on microstructure and hardness ofTC4 titanium alloy[J]．Heat Treatment ofMetals，2014，39(9)：36-40．
[16]張智，李維，廖強(qiáng)，等．不同鍛造工藝對(duì)TC10鈦合金組織和性能的影響[J]．機(jī)械工程與自動(dòng)化，2014(3)：108-109，111．
Zhang Zhi，Li Wei，Liao Qiang，et a1．Effect of forging process on microstructure and mechanical properties of TC10 titanium alloy[J]．Mechanical Engineering&Automation，2014(3)：108．109，111．
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