热处理对 TC4 钛合金板材韧性的影响

TC4(Ti-6Al-4V) 是目前用量最大、用途最为广泛的钛合金。通过不同的加工工艺改变 TC4 板材的显微组织形貌，并使材料呈现出多样化的性能特点，对于深入挖掘材料性能潜能，扩大材料应用场 景有较大意义。材料韧性是材料变形时吸收能量的能力，常用冲击韧性和断裂韧性指标来表征材料韧性的优劣。本文通过对低间隙和高氧 TC4 板材进行不同热处理温度退火，研究了热处理温度对板材冲击韧性、显微组织和裂纹扩展速率的影响规律。

本研究采用热轧工艺生产的两批次厚度 10 mm TC4 板材，两批次板材分别编号为板材 A、B。板 材 A 为低间隙 (ELI)TC4 成分，板材 B 为高氧 TC4 成分 (化学成分见表 1)。板材热轧至 10 mm 后未经热处理，以热轧状态采用水切割方式取试样坯。 

使用高精度箱式热处理炉 (±2 ℃) 对试样坯进行热处理，选取 TC4 再结晶温度范围进行再结晶退火热处理 (见表 2)，热处理时间均为 60 min，冷却方式为空气冷却。

测试板材冲击韧性和裂纹扩展速率以表征板材韧性，其中板材冲击韧性实验方法执行 GB/T 229— 2007，测试方向为横向，每个热处理制度测试三个样。裂纹扩展速率实验方法执行 ASTM E647-15， 测试方向为横向。

表 3 为热轧态及经不同温度热处理后低间隙 TC4(A) 及高氧 TC4 板材 (B) 的横向室温冲击韧性测试数据。

从表 3 可以看出，在各热处理制度下低间隙 TC4 板材室温冲击韧性均高于高氧 TC4 板材，降低板材氧含量可以提高板材塑性，降低强度水平，降低材料的脆性倾向，提高板材受外力冲击时的能 量吸收功，从而提高板材冲击韧性。从表 3 可以看出，在 700~980 ℃ 范围内随着退火温度升高，板材 A 和 B 的冲击韧性值均呈现出先下降后上升再下降的规律。低间隙 TC4(A) 板材经 780 ℃ 热处理后冲击韧性最小，平均达到 58.3 J/cm2；经 900 ℃ 热处理后冲击韧性最大，平均达到 82.3 J/cm2。高氧 TC4(B) 板材经 780 ℃ 热处理后冲击韧性最小，平均达到 33.7 J/cm2；在 940 ℃ 热处理后冲击韧性最大，平均达到 51.3 J/cm2。

图 1 为板材 A、B 在热轧态及冲击韧性值最小、最大时对应热处理制度下的显微组织图片。 

从图 1 可以看出，板材 A、B 热轧态显微组织均为初生等轴状及长条状 α+次生 α+β 转变组织，板材 A 的次生 α 含量较板材 B 略多。经 780 ℃ 热处理后，板材发生再结晶及晶粒长大，板材 A、B 显微组织类型与热轧态相同，但初生等轴状及长条状 α 均发生明显长大。

板材 A 经 900 ℃ 热处理后，板材显微组织为初生等轴状 α+片层状 α+β 转变组织组成的双态组织。板材 B 经 940 ℃ 热处理后，板材显微组织同样呈现出双态组织，但与板材 A 相比，板材 B 的初生等轴状 α 含量较少，片层状 α 含量较多且较为粗大。 

等轴状 α 组织通常具有较好的强度、塑性和抗疲劳裂纹萌生性能，片层状 α 则具有较好的断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展性能，双态组织则很好的综合了等轴和片层状组织在材料性能方面的优点，较为均衡的抑制了裂纹萌生和扩展过程，提高材料韧性。与板材 B 相比，板材 A 等轴状 α 含量更多，有利于提高板材整体塑性，降低 α 晶粒萌生裂纹的倾向；板材 A 片层状 α 更为细小，晶界占比更大，有利于使室温下沿晶裂纹扩展路径曲折化。

板材 A 经 780 ℃、900 ℃ 热处理后及板材 B 经780 ℃ 热处理后横向裂纹扩展速率分别代表低间隙板材冲击韧性值最小、最大及高氧板材冲击韧性值最小状态下板材横向裂纹扩展速率情况。板材 A 经 900℃ 热处理后裂纹扩展速率最低；经 780℃ 热处理后次之；板材 B 经 780℃ 热处理后裂纹扩展速率最高；在裂纹扩展阶段 3 种板材裂纹扩展速率的差异更为显著。此外，板材 B 中较高的氧含量 (0.18%) 会加剧晶粒尺寸对裂纹扩展速率的影响程度。上述 规律与冲击韧性结果对材料的韧性评价结果相一致，冲击韧性值越高，裂纹扩展速率越低，材料变形和断裂时吸收的能量越高，材料抵抗变形和断裂的能力越强。