改善低氧TC4-LC及重熔TC4钛合金性能的热处理工艺

王绍灼， 孟 晗， 王 芬， 樊海卫， 李 燕， 唐 超

(中航钛业有限公司， 山东 淄博 255000)

TC4钛合金具有密度小、比强度高、耐蚀性好、抗疲劳等优点，尤其是其优异的耐酸碱盐、耐海水腐蚀性能，使其在海洋石油工业中获得越来越广泛的应用[1-2]。我公司前期针对某石油管产品需求，设计并生产了一种低氧TC4-LC钛合金φ125 mm棒材。由于客户需求变更，导致近20 t库存棒材积压。该TC4-LC钛合金氧含量仅0.08%～0.09%，Al、V含量也相对偏低，对该材料组织与性能的研究鲜有报道，使用领域也相对较窄。鉴于此，现拟对该低氧TC4-LC合金棒材进行不同热处理试验，再通过优化合金成分重熔、改锻后，进行不同热处理工艺对比试验，对重熔TC4合金材料显微组织和力学性能进行综合分析，以期在一定范围内改善该合金材料力学性能，并尽快将该批库存棒材处理。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为低氧TC4-LC钛合金φ125 mm锻态棒材，重新下料改锻以得到细小均匀等轴组织，金相法测得其相变点Tβ=965 ℃。为改善性能，通过优化合金成分，添加TiO2真空自耗重熔，提高氧含量，并通过铸锭开坯和镦拔锻造，得到高氧TC4钛合金φ150 mm棒材，金相法测得其相变点Tβ=1005 ℃。低氧TC4-LC及重熔TC4合金的化学成分见表1。

表1 低氧TC4-LC及重熔TC4合金的化学成分(质量分数，%)

1.2 试验方法

取改锻TC4-LC合金棒材和重熔TC4合金棒材理化料，分别进行如表2所示的退火、固溶、固溶+时效和β热处理，然后采用NikonMA100光学显微镜观察试样显微组织，采用CMT5205拉伸试验机测定试样室温拉伸性能。

表2 低氧TC4-LC和重熔TC4钛合金的热处理工艺

2 试验结果与分析

2.1 低氧TC4-LC钛合金的显微组织

低氧TC4-LC钛合金棒材改锻后，分别经退火、固溶、固溶+时效以及β热处理后的显微组织如图1所示。由图1可以看出，退火后的显微组织为等轴组织，初生α相细小均匀，晶粒度8.5级；固溶处理的显微组织为等轴组织，晶粒稍粗，晶粒度8.0级；固溶+时效处理后的显微组织为细小均匀等轴α相+晶间β相，晶粒度9.0级；β热处理后的显微组织为细小均匀的等轴β晶粒，晶粒度8.5级，平均晶粒尺寸约15 μm。综上，在低氧TC4-LC钛合金棒材锻态组织形态一定的情况下，不同热处理工艺得到的显微组织不同。但固溶处理后的显微组织与退火时相比，除晶粒稍粗一些外未发生明显变化。固溶+时效热处理和β热处理后的显微组织较退火时变化明显，尤其是β热处理后的组织已为等轴β晶粒。

图1 不同热处理制度下低氧TC4-LC合金显微组织(a)退火；(b)固溶；(c)固溶+时效；(d)β热处理Fig.1 Microstructure of the hypoxic TC4 alloy under different heat treatment processes (a) annealing； (b) solid solution treatment； (c) solution treatment+aging； (d) β heat treatment

2.2 低氧TC4-LC合金的力学性能

低氧TC4-LC钛合金棒材改锻后，分别经退火、固溶、固溶+时效以及β热处理后的力学性能如表3所示。另外，表3还列出了GB/T 2965—2007《钛及钛合金棒材》中规定的TC4-ELI和TC4钛合金材料的力学性能。由表3可以看出，低氧TC4-LC钛合金退火后的抗拉强度为816 MPa，屈服强度为745 MPa，断后伸长率为10.0%，断面收缩率为32%，其中抗拉强度、屈服强度均未达到TC4-ELI钛合金的要求。经固溶处理后的抗拉强度为838 MPa，屈服强度为764 MPa，断后伸长率为11.0%，断面收缩率为39%，均较退火态略有升高，已达到TC4-ELI钛合金的要求。经固溶+时效处理后的抗拉强度为872 MPa，屈服强度为773 MPa，断后伸长率为11.5%，断面收缩率为54%，综合性能进一步提高，尤其是断面收缩率，较退火态增加了50%以上，这主要与固溶+时效处理后的晶粒较细有关(晶粒度9.0级)。等轴初生α相晶粒大小对材料塑性有直接影响，晶粒越细小，材料塑性越优异[3]。然而固溶+时效处理试样仍未达到TC4钛合金的要求。经β热处理后的抗拉强度进一步提高至894 MPa，已接近GB/T 2965—2007对TC4钛合金要求的895 MPa，但屈服强度为753 MPa，断后伸长率略降低至10.0%，断面收缩率急剧降低至23%，这是因为经β热处理后，显微组织为等轴β晶粒，片层组织的拉伸性能，特别是塑性比较低，因此综合性能未达到GB/T 2965—2007对TC4ELI 合金(屈服强度≥760 MPa)和TC4合金(断面收缩率≥25%)的要求。

表3 不同制度热处理后低氧TC4-LC合金的力学性能

出现以上结果的主要原因是该TC4-LC钛合金氧含量相对比较低，GB/T 3620.1—2016《钛及钛合金牌号和化学成分》中规定TC4-ELI合金的氧含量≤0.13%，工业生产中基本按0.10%～0.13%控制，而该TC4-LC合金中氧含量为0.08%～0.09%，已经小于0.10%。

另外，合金中Al、V含量均未达要求中间值，相对偏低一些，也是导致综合力学性能偏低的因素之一。除此以外，根据图1所示的显微组织形貌和表3所示的力学性能数据还可看出，在化学成分一定的前提下，显微组织在很大程度上决定了材料的力学性能。氧含量偏低时，通过不同的热处理仅能在一定程度上改善其力学性能，但无法达到GB/T 2965—2007规定的TC4钛合金棒材性能要求。

2.3 重熔TC4合金的显微组织

重熔改锻后的TC4钛合金棒材经退火、固溶、固溶+时效以及β热处理后的显微组织如图2所示。可以看出经退火后的显微组织为等轴组织，含球状α相 及少量晶间β相，无原始β晶界，晶粒度9.0级；经固溶处理后的显微组织为在转变的β基体上含有少量的等轴初生α相晶粒；经固溶+时效后的显微组织呈双态组织，在转变的β基体上含有细针状α相及不连续的等轴初生α相晶粒；经β热处理后的显微组织呈片层组织，即针状完全β转变组织，原始β晶界清晰完整。由此可以看出，重熔TC4钛合金经不同工艺热处理得到的显微组织差异较大，不同显微组织会直接决定该重熔TC4钛合金的力学性能。

图2 不同热处理制度下重熔TC4合金的显微组织(a)退火；(b)固溶；(c)固溶+时效；(d)β热处理Fig.2 Microstructure of the remelted TC4 alloy under different heat treatment processes(a) annealing； (b) solid solution treatment； (c) solution treatment+aging； (d) β heat treatment

2.4 重熔TC4合金的力学性能

重熔改锻后的TC4钛合金棒材经退火、固溶、固溶+时效以及β热处理后的力学性能数据如表4所示。可以看出，经退火后的抗拉强度为989 MPa，屈服强度为920 MPa，较低氧TC4-LC改锻棒材提升了20%以上，主要原因是经配料真空自耗重熔后，合金中氧含量升至0.2%，更多的氧原子进入合金内，导致金属晶体的晶格发生扭曲，产生更加严重的畸变，使位错运动阻力大大增加，从而使该重熔TC4合金的室温强度显著提高[4]。该热处理制度下，材料综合性能已满足GB/T 2965—2007规定的TC4合金性能要求。经固溶处理后，抗拉强度为1075 MPa，屈服强度为1043 MPa，均大幅度提高，但断面收缩率略有降低，为38%，断后伸长率则明显降低，为7.5%，已不满足TC4钛合金的要求。经固溶+时效处理后的抗拉强度进一步提高至1092 MPa，屈服强度为975 MPa，有一定程度降低，断后伸长率为11.5%，断面收缩率为35%，可以满足TC4合金的要求，主要原因是固溶处理后入水快速水冷得到的组织为α′+α″+β亚稳相，在后续时效过程中亚稳相分解为弥散的α和β相，从而使该合金的强度和塑性匹配进一步优化[5]。经β热处理后的抗拉强度为1051 MPa，屈服强度为903 MPa，均有一定程度降低，而断后伸长率为4.0%，断面收缩率为11%，均急剧降低，此时的塑性已经不能满足TC4钛合金的要求，主要原因是经β热处理，显微组织出现明显的沿晶界分布的片层组织(如图2(d)所示)，导致合金力学性能大幅度降低。因此，在实际工业化生产过程中，应当避免出现片层组织[6]。

表4 重熔TC4合金经不同制度热处理后的力学性能

综上所述，重熔TC4钛合金在化学成分确定的情况下，不同热处理工艺得到的显微组织对力学性能有重要影响。合金中的氧含量增加后，强度大幅度提高，塑性在退火处理后略有提高，β热处理后急剧降低，固溶+时效处理后断面收缩率也明显降低，固溶处理后断后伸长率降低30%左右。β热处理和固溶处理后力学性能已不满足GB/T 2965—2007对TC4钛合金的要求，而退火和固溶+时效处理后力学性能可以满足。表明通过优化合金成分重熔来改善TC4-LC合金材料性能的方法可行，后续为落实客户需求，进一步优化设计合金成分和热处理工艺，尽快将库存积压TC4-LC合金棒材处理。

3 结论

1) 由于氧含量较低，通过调整热处理制度只能在一定程度上提高低氧TC4-LC合金的力学性能，经固溶、固溶+时效处理后可以满足GB/T 2965—2007《钛及钛合金棒材》规定的TC4-ELI钛合金的力学性能要求，但均不能满足其对TC4钛合金的力学性能要求。

2) 重熔TC4钛合金因氧含量提高，强度大幅度提高，塑性除退火处理一定程度提高，其它热处理不同程度降低。其中，β热处理和固溶处理后力学性能不满足GB/T 2965—2007对TC4钛合金的要求，而退火和固溶+时效处理后的力学性能可以满足。