大變形熱軋制備超細(xì)晶TC4鈦合金的組織與性能

，，

(上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240))

0 引 言

TC4(Ti6Al4V)鈦合金是一種典型的雙相(α+β)鈦合金，具有密度低、強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)低、生物相容性好、抗疲勞和耐腐蝕性能優(yōu)異等特點(diǎn)，被廣泛用于航空航天、汽車、海洋工程、化學(xué)工程、醫(yī)療器械等行業(yè)[1-2]。然而，使用條件的變化對合金的強(qiáng)度提出了更高的要求，如何進(jìn)一步提高TC4鈦合金的強(qiáng)度成為近十年來鈦合金研究的熱點(diǎn)之一。晶粒(組織)細(xì)化是同時提高材料強(qiáng)度和韌性的有效途徑，采用強(qiáng)烈塑性變形(Severe Plastic Deformation，SPD)技術(shù)可以獲得納米晶(晶粒尺寸在100 nm及以下)或超細(xì)晶(晶粒尺寸在1 000 nm及以下)組織，進(jìn)而顯著提高材料的強(qiáng)度。近年來，各種SPD技術(shù)，如高壓扭轉(zhuǎn)(HPT)[3]、等通道擠壓(ECAE/ECAP)[4]等，被廣泛應(yīng)用于制備高強(qiáng)度TC4鈦合金，并取得了良好的效果[3-9]。

但是，這些傳統(tǒng)SPD技術(shù)對生產(chǎn)條件的要求較高，制備的材料尺寸也較小，很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。軋制是最常用也是最理想的工業(yè)化生產(chǎn)大型板材的方法，作為一種新型的SPD技術(shù)，大變形軋制能有效地細(xì)化晶粒，同時易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。在前期研究中，作者所在課題組采用大變形軋制方法成功制備了納米晶及超細(xì)晶鋼[10-12]、鎳合金[13]和純鈦[14-15]。在此基礎(chǔ)上，作者采用道次大壓下量的大變形熱軋方法制備超細(xì)晶TC4鈦合金，研究了軋制變形量對該合金組織和性能的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)原料為商用TC4鈦合金，由云南鈦業(yè)提供，其化學(xué)成分見表 1。使用電火花線切割機(jī)在TC4鈦合金上切割出尺寸為100 mm×30 mm×20 mm的塊狀試樣，在馬弗爐中于1 100 ℃保溫1 h，然后在70 t軋機(jī)(上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)金屬壓力加工中心)上進(jìn)行道次大壓下量軋制，開軋溫度1 100 ℃，經(jīng)2～4道次軋制至厚度分別為8，6，4，2 mm，軋制變形量分別為60%，70%，80%，90%，終軋溫度600 ℃，水冷至室溫。

表 1 TC4鈦合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of TC4 titaniumalloy (mass) %

在大變形熱軋前后的TC4鈦合金上取樣，經(jīng)鑲嵌、研磨、拋光后，用Kroll腐蝕溶液(由3 mL HF、6 mL HNO3和100 mL H2O組成)腐蝕10 s，再在ZEISS AXIO Imager.A1m型光學(xué)顯微鏡上觀察顯微組織。用MTP-1A型電解雙噴減薄儀制備薄膜試樣，雙噴液為體積分?jǐn)?shù)5%高氯酸酒精溶液，溫度控制在-30 ℃左右，電壓為30 V，然后采用JEOL 2100F型高分辨透射電子顯微鏡(TEM)進(jìn)行形貌觀察和結(jié)構(gòu)分析，工作電壓為200 kV，通過對10張暗場像的晶粒尺寸(晶粒數(shù)大于100個)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算平均晶粒尺寸。對大變形熱軋前后的TC4鈦合金試樣進(jìn)行研磨、拋光，再用體積分?jǐn)?shù)5%高氯酸酒精溶液電解拋光并去應(yīng)力處理后，用Shimadzu XRD-6000型X射線衍射儀(XRD)進(jìn)行物相分析，采用銅靶，Kα射線，電壓40 V，電流40 mA，掃描范圍為30°～90°。使用402SXV型顯微硬度計(jì)進(jìn)行維氏硬度測試，載荷為4.903 N，保載時間為15 s。根據(jù)ASTM E8/E8M設(shè)計(jì)拉伸試樣，尺寸如圖1所示，RD，TD，ND分別為軋制方向、橫向和法向；根據(jù)GB/T 228-2002，在Zwick/Roell-Z100型萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸應(yīng)變速率為1×10-3s-1。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 Size of tensile specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可知：大變形熱軋前TC4鈦合金的組織由片層狀α和β雙相組成，原始等軸狀晶界清晰，平均晶粒尺寸約400 μm;隨著變形量的增加，其組織顯著細(xì)化；在60%和70%變形量下TC4鈦合金的原始粗大晶粒被壓扁拉長，且在變形過程中由于位錯增殖,粗大晶粒內(nèi)部被分割成細(xì)小的亞晶粒；當(dāng)變形量為80%時，合金中晶粒的完整形貌消失，出現(xiàn)明顯的軋制變形帶；當(dāng)變形量為90%時，合金中的變形帶更加細(xì)密和均勻，組織更加細(xì)小。

由圖3可見：大變形熱軋后TC4鈦合金發(fā)生了強(qiáng)烈塑性變形，組織明顯細(xì)化，變形量為60%時，鈦合金組織中存在超細(xì)晶和一定程度的位錯；隨著熱軋變形量的增加，超細(xì)晶數(shù)量增加，晶粒尺寸略有減小，位錯密度變化不大；當(dāng)熱軋變形量為80%時，TC4鈦合金中的超細(xì)晶數(shù)量較多、晶界相對清晰，當(dāng)變形量超過90%后，超細(xì)晶晶界不清晰，位錯密度和點(diǎn)陣畸變明顯高于其他變形量熱軋后的。這種變化規(guī)律可以由動態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行解釋：在大變形熱軋過程中，晶粒通過在晶界等位錯聚集處形核長大發(fā)生再結(jié)晶(非連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶)，或由變形生成小角度晶界晶粒并在變形量進(jìn)一步增加時直接轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠼嵌染Ы绨l(fā)生再結(jié)晶(連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶)，隨后再結(jié)晶晶粒長大，原始片層狀組織被逐步分解成超細(xì)晶[16]。

由圖4可見：經(jīng)變形量為90%的大變形熱軋后，TC4鈦合金中含有大量因劇烈塑性變形而形成的高密度位錯、位錯胞和亞晶等，其組織明顯細(xì)化；對選區(qū)電子衍射(SAED)花樣分析后發(fā)現(xiàn)，衍射環(huán)由密排六方和體心立方兩套斑點(diǎn)組成，分別對應(yīng)鈦合金的α和β相，衍射斑點(diǎn)呈不連續(xù)環(huán)狀，說明軋制后TC4鈦合金組織中存在大量的大角度晶界[14,17]；在TEM暗場像中可以明顯觀察到超細(xì)晶，統(tǒng)計(jì)得到的平均晶粒尺寸約150 nm，由于此處使用TEM暗場像測量的晶粒數(shù)量有限，所得平均晶粒尺寸與實(shí)際情況可能存在少許誤差。與大變形熱軋前的TC4鈦合金相比，經(jīng)90%變形量熱軋后合金的組織明顯細(xì)化，采用大變形熱軋成功制備得到了超細(xì)晶TC4鈦合金。

2.2 物相組成

圖5 不同變形量熱軋前后TC4鈦合金的XRD譜Fig.5 XRD patterns of TC4 titanium alloy before and after hot rolling with different reductions

2.3 硬度和拉伸性能

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，大變形熱軋后TC4鈦合金的硬度明顯提高，且隨著熱軋變形量的增加而增大，當(dāng)變形量從60%增至80%時，硬度增大速率較快，經(jīng)90%變形量熱軋后TC4鈦合金的硬度達(dá)364.7 HV。熱軋變形能夠細(xì)化晶粒并提高位錯密度，雖然動態(tài)再結(jié)晶會消耗部分位錯，但還會有大量位錯殘留，這些殘留位錯是熱軋后鈦合金硬度提升的主要影響因素。

圖6 不同變形量熱軋前后TC4鈦合金的顯微硬度Fig.6 Microhardness of TC4 titanium alloy before and after hot rolling with different reductions

由圖7可知：經(jīng)大變形熱軋后TC4鈦合金的強(qiáng)度明顯提高，且隨著熱軋變形量的增加而增大；與熱軋前的相比，經(jīng)60%和70%變形量熱軋后合金在強(qiáng)度增加的同時，伸長率也明顯增大；經(jīng)90%變形量熱軋后，TC4鈦合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 135 MPa，比大變形熱軋前合金的874 MPa提高了近30%，其伸長率超過9%，呈現(xiàn)出高強(qiáng)高韌的特點(diǎn)。

圖7 不同變形量熱軋前后TC4鈦合金的拉伸性能Fig.7 Tensile properties of TC4 titanium alloy before and after hot rolling with different reductions

材料的強(qiáng)度與晶粒尺寸之間符合經(jīng)典的Hall-Petch關(guān)系,即：

(1)

式中：σy為屈服強(qiáng)度；σ0為材料常數(shù)，與位錯移動時所受晶格阻力有關(guān)；ky為常數(shù)；d為平均晶粒尺寸。

由式(1)并結(jié)合圖2～圖4分析可知：隨著熱軋變形量的增加，TC4鈦合金的晶粒尺寸減小，強(qiáng)度增加；經(jīng)90%變形量熱軋后TC4鈦合金除了組織得到進(jìn)一步細(xì)化外，在晶粒內(nèi)部還出現(xiàn)了高密度位錯、位錯胞以及非平衡晶界，因此其強(qiáng)度增加顯著。此外，TC4鈦合金在強(qiáng)度提高的同時保持了優(yōu)異的塑性，這仍然要?dú)w因于組織的細(xì)化。在變形時位錯可以在更多相對細(xì)小的晶粒中啟動，不同細(xì)小晶粒間的變形更容易協(xié)調(diào)，從而推遲了應(yīng)力集中和斷裂的發(fā)生，提升了塑性。可見，通過道次大壓下量的大變形熱軋可以獲得高強(qiáng)高韌的超細(xì)晶TC4鈦合金材料。

2.4 拉伸斷口形貌

由圖8可見，經(jīng)大變形熱軋后TC4鈦合金的拉伸斷口均呈韌窩狀，為典型的微孔聚集型韌性斷口。鈦合金受力時，因位錯的塞積作用，在晶界、亞晶界、析出相、夾雜物處首先形成微孔；隨著變形的繼續(xù)，微孔相互連接并長大，導(dǎo)致合金斷裂[18]。隨著熱軋變形量的增加，韌窩尺寸減小、深度變淺，說明合金塑性變差。這是因?yàn)樽冃瘟吭酱螅辖鸬木Я３叽缭叫。⒖仔魏藬?shù)量越多。

圖8 不同變形量熱軋后TC4鈦合金拉伸斷口的SEM形貌Fig.8 SEM micrographs showing tensile fracture of TC4 titanium alloy after hot rolling with different reductions

3 結(jié) 論

(1) 通過大變形熱軋及道次大壓下量的方法成功制備了超細(xì)晶TC4鈦合金，經(jīng)變形量為90%的大變形熱軋后，可以獲得平均晶粒尺寸約150 nm的超細(xì)晶組織，合金的抗拉強(qiáng)度從874 MPa提升到1 135 MPa，伸長率超過9%。

(2) TC4鈦合金在大變形熱軋過程中發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，隨著熱軋變形量的增加，超細(xì)晶數(shù)量增加、尺寸減小，晶粒內(nèi)殘留位錯、亞晶等缺陷的密度增加，合金的硬度和強(qiáng)度增大；由于超細(xì)再結(jié)晶組織的形成，大變形熱軋后TC4鈦合金仍然保持了優(yōu)異的塑性，拉伸斷裂方式均為韌性斷裂。

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