鈦合金具有密度小、比強度高、耐蝕性好、無磁性等優異的性能，作為一種重要的結構材料在航空、航天、化工、艦船、汽車、兵器、體育、醫療等領域得到了廣泛應用。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以及鈦合金的低成本化制備技術仍然是當前最重要的研究熱點[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。在鈦合金生產中會產生大量的返回料，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，能顯著降低原料成本。此外，電子束冷床熔煉可生產扁錠，扁錠可直接進行軋制，省去了圓錠開坯、鍛造等工序，最大限度縮短生產流程，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、兵器等領域獲 得應用[6]。美國率先針對電子束冷床爐單次熔煉技術開展研究，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。經測試，板材的拉伸性能均超過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年進行了修訂。在國內，寶鈦集團利用從德國ALD公司引進的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]，板材室溫力學性能及抗彈性能滿足國標及使用要求，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程中的顯微組織和力學性能，力圖揭示板材顯微組織的演化規律及其室 溫力學性能的變化規律，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化批量生產提供參考。

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，其化學成分符合GB/T 3620.1—2007《鈦及鈦合金牌號和化學成分》標準要求，金 相法測得其β轉變溫度為974℃。鑄錠經機加工處理后，在1200mm四輥可逆式熱軋機上在相變點以下20~50℃采用交叉換向工藝多火次軋制成8mm厚板材，按(720～950)℃×1h空冷工藝進行 退火。對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性能進行分析測試，并優選出顯微組織和力學性能匹配最佳的熱處理工藝。室溫力學性能測試按照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電子萬能試驗機上進行，金相觀察分析在Axiovert 200MAT金相顯微鏡下進行。

2、試驗結果與分析

2.1 變形過程中板材的組織與性能

圖1為經不同火次變形后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，晶內為樹枝晶組織。經一火變形后，鑄態的樹枝晶組織被破碎，形成柱狀組織，見圖1(b)。經兩火變形后，粗大的晶粒破碎為細小晶粒，柱狀組織轉變為等軸或長條狀組織，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現有類似現象。經三火變形后獲得成品板材，晶粒進一步細化，長條狀組織更多轉變為等軸狀α+β轉變組織，見圖1(d)。變形過程中晶粒的細化和組織的演變與其室溫力學性能的高低密切相關。

表1所示為經不同火次變形后板材的室溫力學性能。由表1中數據可見，經過軋制變形后，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。金屬變形時的強度和塑性與位錯滑移長度有關，位錯滑移長度越短，強度和塑性越高。等軸組織的位 錯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，晶粒越細小，位錯滑移長度越短，產生的位錯塞積越少，具有更好的強度和塑性。在軋制變形過程中，變形充分能使更多的滑移系的位錯源啟動，產生相應的滑移，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。表l中板材的室溫力學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(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(720～820℃)，顯微組織無明顯變化，以長條狀或等軸狀α+β轉變組織為主，晶粒尺寸大小和形態十分相似，見圖2(a)～(d)。文獻[10-11]也發現低溫退火時的組織與軋制態組織相似。退火溫度升高到820℃以上，板材的顯微組織較低溫時發生了明顯變化，表現為等軸初生α相含量開始逐漸減少、尺寸逐漸增大，晶粒向等軸化轉變，而β轉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轉變組織中析出(見圖2(f)、(g))。

鈦合金在熱處理時顯微組織的變化將導致其室溫力學性能的變化[12-15]。圖3所示為經(720～950)℃×1 h+AC退火處理后板材的室溫力學性能，不同溫度退火后板材的室溫力學性能均滿足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，而伸長率彳則變化不大。這是由于在室溫下合金的抗拉強度隨著等軸組織的變化而變化，合金中等軸組織含量高，其抗拉強度也高[16]；當退火溫度逐漸升高至820℃時，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。雖然隨著退火溫度的升高，合金中析出片狀次生α相，抗拉強度會增大，但由于溫度較高，合金中等軸α相的含量減少比較明顯，且晶粒進一步粗化(見圖2(g))，使合金的抗拉強度明顯降低。

由圖3還可看出，經(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，在工業化批量生產時推薦采用該熱處理工藝。

3、結論

(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晶粒被破碎，枝晶組織轉變為等軸或長條狀α+β轉變組織，板材的室溫力學性能顯著提高。

(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，而伸長率則變化不大。

(3)經(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。

參考文獻：

[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[J]．兵器材料科學與工程，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及其軍事應用[J]．鈦工業進展，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展[J]．航空制造技術，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，王新南，等．低成本高性能鈦合金研究進展[J1．鈦工業進展，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與劣[J]．中國有色金屬學報，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展[J]．鈦工業進展，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，Fanning 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]．中國有色金屬學報，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]佟學文，惠松驍，喬璐，等．一種高動態承載性能、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，等，Ti-6Al-2Zr-2V-1.5Mo合金厚板的組織性能[J]．中國鈦業，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，等．不同熱處理工藝對工業TC4合金板材組織和性能的影響[J]．鈦工業進展，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、時效溫度對TC4鈦合金組織和力學性能的影響[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．循環熱處理溫度對TC4鈦合金組織和力學性能的影響叨．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，等．不同鍛造工藝對TC10鈦合金組織和性能的影響[J]．機械工程與自動化，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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