TC4(Ti-6Al-4V)钛合金具有比强度高、密度低、耐蚀性强和耐热性好等优点，已经应用于航空航天、核工业及军事等领域的高端装备关键构件[1-6]。随着国民经济及国防事业的进一步发展，高温、高压、高速和高载荷等苛刻服役环境对TC4钛合金的需求日益增加，这对TC4钛合金的性能提出了更加严苛的要求[7-10]。因此，如何进一步提高TC4钛合金的综合性能和服役可靠性是钛合金发展的主要方向。

基于细晶强化理论并通过相应的细化晶粒技术制备细晶TC4钛合金是提高综合力学性能及扩大其应用领域的有效手段之一[11-14]。近年来TC4钛合金的细化手段主要是利用所谓的“自上而下”法，也就是通过剧烈塑性变形(SeverePlasticDeforma-tion,SPD)技术对铸态TC4钛合金进行处理，从而获得细晶组织。SPD技术是一种使块体金属获得非常大的塑性应变并且不改变材料形状的工艺，常用的SPD技术主要包括等通道转角挤压(ECAP)、累积叠轧(ARB)、高压扭转(HPT)、大变形热轧(SHR)等。

ZHAO等[15]采用非等温ECAP工艺对铸态TC4钛合金进行了四道次的ECAP剧烈塑性变形，制备出细晶TC4钛合金，力学性能测试结果表明，细晶TC4钛合金的硬度和抗压强度均有显著提升，原因是细晶TC4钛合金微观组织内部含有大量的亚微米晶粒及形变孪晶。姚学峰等[16]采用90%变形量的大变形热轧得到了抗拉强度1135MPa和伸长率9%的高强高韧细晶TC4钛合金。尽管铸锭冶金+剧烈塑性变形的方法能够获得细晶TC4钛合金组织，但是这种“自上而下”法中TC4铸锭的微观组织容易出现偏析，导致最终得到的材料各批次性能不稳定，且剧烈塑性变形的工序复杂，成本较高。因此，研究者们近年来提出了利用“自下而上”法制备细晶TC4钛合金：首先制备出晶粒细小的粉末，再通过各种压制和烧结的方法将其制备成固体材料。相比于铸锭冶金，粉末冶金法制备的材料组织均匀性更好，此外粉末冶金工艺可以直接以晶粒细小的粉体作为原材料，通过热压烧结过程中的热力耦合作用使粉体在相对较低的温度下进行固相烧结成形，但是真空热压烧结法制备的材料通常含有少量的空隙，不利于性能提升[17-18]。因此，通常将真空热压烧结与热挤压工艺相结合，将热压烧结制备的块体材料在高温高压下热挤压塑性变形，使其进一步致密化，然后进行热处理使其再结晶产生均匀细小的晶粒[19-20]。这种方法与剧烈塑性变形方法相比，塑性变形量相对较小，工序简单，比较容易实现。

基于以上分析，本文以TC4预合金粉末为原材料，采用真空热压烧结+热挤压+退火制备了细晶TC4钛合金。通过扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等先进表征手段对TC4钛合金制备过程中的微观组织演变规律进行表征，利用拉伸实验方法对TC4钛合金制备过程中的力学性能变化规律进行测试。本研究旨在揭示TC4钛合金在真空热压烧结、热挤压和退火过程中的微观组织与性能演变规律，从而为高性能细晶TC4钛合金的开发与工程化应用提供理论和技术支撑。

1、实验材料与方法

本研究以从中国江苏威拉里新材料科技有限公司购买的Ti-6Al-4V预合金粉末为原材料，化学成分如表1所示。

图1为原始TC4预合金粉末的SEM形貌，由图可知，原始TC4粉末接近球形，平均尺寸约为10μm。将原始粉末放入50mm的硬质合金模具中，采用真空热压烧结对TC4粉末进行固相成形。烧结工艺参数为：热压烧结温度为1100℃，升温速率为20℃/min，热压烧结压力为80MPa，在选定的烧结温度和压力下保温保压3h后随炉冷却，得到热压烧结态TC4合金。随后对热压烧结制备的TC4钛合金坯料进行热挤压，热挤压温度为880℃，挤压比为6:1。最后对热挤压后的TC4钛合金进行退火处理，退火温度为800℃，保温时间为3h。

分别对热压烧结态、热挤压态及退火态下的TC4钛合金线切割取样进行微观组织表征和力学性能测试。经过机械研磨、抛光及腐蚀后，采用JSM-5610LV扫描电子显微镜对不同状态下的TC4钛合金微观组织进行表征，腐蚀液的配方为3%HF+6%HNO₃+91%H₂O，腐蚀时间为60s。制备透射电镜样品，经过机械研磨和离子减薄后，采用JEM-2100透射电子显微镜对不同状态下的TC4钛合金微观组织进行深入分析。采用INSTRON电子机械拉伸实验机对不同状态下的TC4钛合金进行室温拉伸测试，每种处理状态下测试3组后取平均值。

2、实验结果及讨论

2.1细晶TC4钛合金制备过程中的微观组织演变规律

采用扫描电子显微镜对细晶TC4钛合金制备过程中的微观组织进行表征，结果如图2所示。图2（a）为热压烧结后TC4钛合金的扫描电子显微组织形貌，由图可知，热压烧结态TC4钛合金主要由α相和β相组成，其中α相以等轴状分布，平均晶粒尺寸约为15μm。而β相则以细长片层状/针状分布于α相晶粒内部或晶界处。这是因为本实验中，真空热压烧结温度为1100℃，高于β相变点。因此，在缓慢随炉冷却过程中，其微观组织中的绝大部分β相会向α相转变，但仍有少量的残余β相没有发生转变，以片层状/针状分布于α相晶粒内部或晶界处。图2（b）为热挤压后TC4钛合金的扫描电子显微组织形貌，由图可知，TC4钛合金经过热挤压变形后，α晶粒尺寸明显降低且被拉长，平均晶粒尺寸约为1μm。β相以半连续状态分布在α相晶界处。因此可知，热挤压可以使真空热压烧结后得到的TC4钛合金的晶粒尺寸进一步细化得到细晶微观组织，有利于强度的提高。图2（c）为真空热压烧结和热挤压制备所得的TC4钛合金经退火后的扫描电子显微组织形貌，由图可知，真空热压烧结和热挤压制备所得的TC4钛合金形成的板条状细晶粒在退火过程中发生了明显的长大，α相的平均晶粒尺寸约为2μm。β相由片层状/针状向颗粒状转变，分布于α相晶界处。

为了更加深入地了解细晶TC4钛合金制备过程中的微观组织演变规律，采用透射电镜对细晶TC4钛合金制备过程中的微观组织进行表征，结果如图3所示。由图3（a）可知，热压烧结后TC4钛合金主要由α相和β相组成，β相则以片层状分布于α相晶粒内部，这与扫描电镜观察结果一致。图3（b）和图3（c）分别为图3（a）中β-Ti和α-Ti的电子衍射花样。图3（d）为热压烧结态TC4钛合金在热挤压之后的透射电子显微组织形貌，由图可知，经过热挤压之后晶粒明显被拉长且被细化，特别是α相晶粒周围的片层状/针状β相破碎形成颗粒状。

图3（e）的衍射花样表明，此时微观组织呈现出明显的多晶状态且有一定的残余应力。由此可知，热挤压可以显著细化TC4钛合金晶粒尺寸从而得到细晶微观组织，有利于强度的提升，但因为残余应力的存在，其塑韧性有所降低。图3（f）为真空热压烧结和热挤压制备所得的TC4钛合金经退火后的透射电子显微组织形貌，由图可知，与图3（d）的微观组织相比，TC4中的α相和β相发生明显长大。

这一结果表明，退火能够使真空热压烧结和热挤压制备的TC4钛合金发生回复和再结晶，有利于消除复合变形过程中的内应力，有利于TC4钛合金塑韧性的提高。

2.2细晶TC4钛合金制备过程中的力学性能演变规律

图4为热压烧结态、热挤压态和退火态下TC4钛合金力学性能测试结果。由图可知，真空热压烧结后的TC4钛合金室温抗拉强度达到837MPa，断裂伸长率为12.8%。真空热压烧结TC4钛合金进行热挤压后，抗拉强度达到983MPa，较热压烧结态提高17.4%。但此时TC4钛合金的断后伸长率为9.6%，较热压烧结态有所降低。将热挤压TC4钛合金进行退火处理之后，抗拉强度略微有所降低，断后伸长率有所提高。

基于以上分析可知，将真空热压烧结后的TC4钛合金进行热挤压可以有效提高其强度，但此时其塑韧性也最低。热挤压后的TC4钛合金退火后强度略微降低，断后伸长率有所提高，表现出较为优异的综合力学性能。这一结果与2.1小节所得到的TC4钛合金制备过程中的微观组织表征结果一致：热挤压可以有效细化TC4钛合金中的α相晶粒，形成细晶结构，因此其强度最大。但此时微观组织的内应力也最大，因此断后伸长率也最低。退火可以使TC4钛合金中变形的β相晶粒发生再结晶长大，成为等轴晶，因此有利于TC4钛合金的塑韧性提升。

3、结论

（1）热压烧结态TC4钛合金主要由α相和β相组成，α相以等轴状分布，β相则以细长片层状/针状分布于α相晶粒内部或晶界处。

（2）热挤压使真空热压烧结后TC4钛合金中的α晶粒尺寸明显降低且被拉长，β晶粒以半连续状态分布在α相边界处，从而有利于TC4钛合金室温抗拉强度的提高，使其从热压烧结态的837MPa提高至983MPa。但此时TC4钛合金的断裂伸长率最低，为9.6%。

（3）进一步的退火能够使热挤压态TC4钛合金发生回复和再结晶，板条状细晶粒在退火过程中发生明显的长大，特别是β相由片层状/针状向颗粒状转变，分布于α相晶界处，从而有利于TC4钛合金塑韧性的提高。因此，经过热压烧结+热挤压+退火处理得到的细晶TC4钛合金具有较为优异的室温拉伸性能。

参考文献

[1]刘世锋, 宋玺, 薛彤, 等. 钛合金及钛基复合材料在航空航天的应用和发展[J]. 航空材料学报, 2020, 40(03): 77.

[2]赵永庆, 葛鹏, 辛社伟. 近五年钛合金材料研发进展[J]. 中国材料进展, 2020, 39(7-8): 527.

[3]刘文彬, 陈伟, 王铁军, 等. 粉末钛合金的热等静压技术研究进展[J]. 粉末冶金工业, 2018, 28(2): 1.

[4]鲜宁, 荣明, 李天雷, 等. 钛合金在高温高压酸性油气井的应用研究进展[J]. 天然气与石油, 2020,38 (05): 96.

[5]徐坚, 王文焱, 张豪胤, 等. 固溶时效工艺对TC4钛合金组织及性能的影响[J]. 粉末冶金工业, 2014, 24(5): 29.

[6]陆子川, 张绪虎, 微石, 等. 航天用钛合金及其精密成形技术研究进展[J]. 宇航材料工艺, 2020, 50(04): 1.

[7]郑超, 朱秀荣, 王军, 等. 装甲钛合金的研究与应用现状[J]. 钛工业进展, 2020, 37(04): 41.

[8]梁超, 刘文彬, 王铁军, 等. 氧含量对热等静压TC4钛合金力学性能的影响[J]. 粉末冶金工业, 2019, 29(5): 12.

[9]郭志猛, 芦博昕, 杨芳, 等. 粉末冶金钛合金制备技术研究进展[J]. 粉末冶金工业, 2020, 30(2): 1.

[10]赵霄昊, 王晨, 潘霏霏, 等. 球形钛合金粉末制备技术及增材制造应用研究进展[J]. 粉末冶金工业, 2019, 29(6): 71.

[11]王苗, 杨延清, 罗贤. 细晶钛合金的制备及性能研究现状[J].材料导报, 2013, 27(13): 94.

[12]PENG H L, LI X F, CHEN X, et al. Effect of grain size on high-temperature stress relaxation behavior of fine-grained TC4 tita-nium alloy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2020,30:668.

[13]张君彦. 细晶TC4钛合金的热加工图及动态再结晶行为研究[D]. 西安:西安建筑科技大学, 2019.

[14]尹雁飞, 侯智敏, 赵彬, 等. 细晶钛及钛合金的腐蚀性能研究进展[J]. 钛工业进展, 2018, 35(04): 1.

[15]ZHAO Z Y, WANG G F, ZHANG Y L, et al. Fast recrystalliza-tion and phase transformation in ECAP deformed Ti-6Al-4V al-loy induced by pulsed electric current[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2019,786:733.

[16]姚学峰, 付立铭, 单爱党. 大变形热轧制备细晶TC4钛合金的组织与性能[J]. 机械工程材料, 2018, 42(3): 57.

[17]赵志勇. 非等温ECAP制备细晶TC4合金及其脉冲电流处理研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2019.

[18]魏小华, 王晔, 李学问, 等. 热压烧结温度对固相再生TC4钛合金微观组织及硬度影响[J]. 特种铸造及有色合金, 2020, 40(05): 470.

[19]黄小龙. 粉末冶金细晶 Ti-6Al-4V 合金的力学性能及变形局域化行为的研究[D]. 广州:华南理工大学, 2015.

[20]PENG X N, GUO H Z, SHI Z F, et. al. Microstructure charac-terization and mechanical properties of TC4-DT titanium alloy after thermomechanical treatment[J]. Transactions of Nonfer-rous Metals Society of China, 2014(3):682.

相关链接