β相区冷却方式对TC4钛合金组织与力学性能的影响

周江山 董晓峰 岳旭 同晓乐 党鹏 杨再江

（新疆湘润新材料科技有限公司，新疆哈密 839000）

钛及钛合金具有无磁性、耐腐蚀性、耐低温等众多优异特性，使其在发动机结构件、石油管道、核工业等领域均有广泛应用[1-2]。TC4 钛合金是目前最为常见的α+β 两相钛合金，其名义成分为Ti-6Al-4V，因为其具有良好的综合性能，且该合金的成本较低，使得该合金在航天航空、生物医疗、海洋工程等领域都有大量的应用，该合金也被称为万能钛合金[3]。

因为该合金的应用领域广泛，故国内外大量学者对其进行研究，方星晨等进行了电子束增材制造TC4 合金制备熔道特征的研究，结果表明：增加电子束电流以及降低扫描速度，会增加电子束的线性能量值，同时提高连续性和熔道宽度；当固定其他参数，增加扫描速度会导致熔道不连续；当固定电子束电流时，随着扫描速度增加会导致润湿角发生明显改变，降低其宽高比。师佑杰等研究了深冷处理对TC4 钛合金表面性能的影响，结果表明：合金的表面粗糙度在经12 h 深冷处理后达到最小值，同时硬度值达到最大，当组织中α 相含量增加时，组织的致密性变得更加均匀；经深冷处理后的试样表面粗糙度下降，表面质量上升。

因为热处理目前仍是TC4 钛合金工业生产中最常用的强化方式，而加热后冷却方式的不同会导致组织发生改变，目前对冷却方式的研究以两相区为主，故本文选择经单向区（β 相区）加热后，分别以不同冷却方式对合金进行冷却，随后研究其组织与力学性能的关系，探索单向相区冷却方式对TC4 钛合金组织与力学性能的影响。

1 试验材料与方法

本试验选用材料为150 mm 的TC4 钛合金棒材，其化学成分为6.34%Al、4.5% V、0.14% O、0.156%Fe、Ti 余量，测得合金相变点为990 ℃。原材料经过自由锻造机多火次锻造而成，随后采用空冷方式冷却到室温。再将所得棒材进行切分，通过电炉将合金加热到1000 ℃，并保温2 h，随后分别采用水冷、空冷、炉冷三种方式对合金进行冷却。合金经不同方式冷却后，依照GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1 部分:室温试验方法》获取拉伸试样进行拉伸试验，同时切取试样进行金相组织观察与维氏硬度测试，金相试样经粗磨、细磨、抛光等步骤后，使用配比为1%HF+3%HNO3+6%H2O的腐蚀剂进行腐蚀。

2 试验结果与讨论

2.1 金相组织

图1 为TC4 钛合金经β 相区加热后，以不同冷却方式处理后的金相组织，发现三种冷却方式的组织中等轴α 相完全消失，且均存在粗大β 晶粒，区别为经水冷和空冷处理后的组织中析出针状α 相，而经炉冷处理后的组织中析出较为粗大的条状α 相，并有明显的晶界α 相。三种冷却方式中，因为水冷的速率最快，会形成过饱和固溶体，因为组织中过冷度较大，其相变方式为无扩散切变，故此时针状α 相实质为六方马氏体α′相。因为空冷与炉冷的冷却速率较慢，故其相变方式为扩散转变，最终形成α相。

图1 经不同冷却方式处理后的金相组织

2.2 维氏硬度

图2 为TC4 钛合金经不同冷却方式处理后的维氏硬度值，其中经水冷处理后硬度值最大，空冷次之，炉冷最小，且空冷与炉冷的硬度差异较小。由图1 的金相组织可知，水冷后组织中析出大量次生α′相，因为次生α′相的硬度较α 相相比更大，因为次生α′相大量弥散分布，测试的数值以次生α′相为主，故其硬度值较高。虽然空冷与炉冷的组织中均以α 相为主，因为空冷组织中α 相更为细小，其含量更多，对组织会产生强化作用，故其硬度较炉冷略大。

图2 经不同冷却方式处理后的维氏硬度

2.3 拉伸性能

图3 为TC4 钛合金以不同冷却方式处理后的拉伸性能，发现经水冷处理后合金抗拉强度（Rm）与屈服强度（Rp0.2）最大，空冷次之，炉冷最小，而合金的断后伸长率（A）呈现与强度相反的趋势。

图3 经不同冷却方式处理后的拉伸性能

因为经水冷冷却后，会形成大量α′相，拉伸试样在塑性变形时，α′相会形成大量位错，从而有位错塞积形成，导致合金强度较高而塑性较低。合金经空冷处理后，形成的针状α 相强度较α′相相比要低，故其强化效果减小，合金强度降低，合金经炉冷处理后，此时析出α 相较大，其会使位错的滑动距离增加，同时析出的α 相具有较多可开动滑移系，在拉伸过程中，应力会分散至其余晶粒中，减少应力集中发生，导致合金塑性较高，而强度较低。

3 结论

1）三种冷却方式的组织中α 相完全消失，存在粗大β晶粒，水冷析出α′相，空冷与炉冷析出α相；

2）合金经水冷处理后硬度值最大，空冷次之，炉冷最小，且空冷与炉冷的硬度差异较小；

3）经水冷处理后，合金强度最大，空冷次之，炉冷最小，而塑性呈现与强度相反的趋势。