改善低氧TC4-LC及重熔TC4鈦合金性能的熱處理工藝

王紹灼， 孟 晗， 王 芬， 樊海衛， 李 燕， 唐 超

(中航鈦業有限公司， 山東 淄博 255000)

TC4鈦合金具有密度小、比強度高、耐蝕性好、抗疲勞等優點，尤其是其優異的耐酸堿鹽、耐海水腐蝕性能，使其在海洋石油工業中獲得越來越廣泛的應用[1-2]。我公司前期針對某石油管產品需求，設計并生產了一種低氧TC4-LC鈦合金φ125 mm棒材。由于客戶需求變更，導致近20 t庫存棒材積壓。該TC4-LC鈦合金氧含量僅0.08%～0.09%，Al、V含量也相對偏低，對該材料組織與性能的研究鮮有報道，使用領域也相對較窄。鑒于此，現擬對該低氧TC4-LC合金棒材進行不同熱處理試驗，再通過優化合金成分重熔、改鍛后，進行不同熱處理工藝對比試驗，對重熔TC4合金材料顯微組織和力學性能進行綜合分析，以期在一定范圍內改善該合金材料力學性能，并盡快將該批庫存棒材處理。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為低氧TC4-LC鈦合金φ125 mm鍛態棒材，重新下料改鍛以得到細小均勻等軸組織，金相法測得其相變點Tβ=965 ℃。為改善性能，通過優化合金成分，添加TiO2真空自耗重熔，提高氧含量，并通過鑄錠開坯和鐓拔鍛造，得到高氧TC4鈦合金φ150 mm棒材，金相法測得其相變點Tβ=1005 ℃。低氧TC4-LC及重熔TC4合金的化學成分見表1。

表1 低氧TC4-LC及重熔TC4合金的化學成分(質量分數，%)

1.2 試驗方法

取改鍛TC4-LC合金棒材和重熔TC4合金棒材理化料，分別進行如表2所示的退火、固溶、固溶+時效和β熱處理，然后采用NikonMA100光學顯微鏡觀察試樣顯微組織，采用CMT5205拉伸試驗機測定試樣室溫拉伸性能。

表2 低氧TC4-LC和重熔TC4鈦合金的熱處理工藝

2 試驗結果與分析

2.1 低氧TC4-LC鈦合金的顯微組織

低氧TC4-LC鈦合金棒材改鍛后，分別經退火、固溶、固溶+時效以及β熱處理后的顯微組織如圖1所示。由圖1可以看出，退火后的顯微組織為等軸組織，初生α相細小均勻，晶粒度8.5級；固溶處理的顯微組織為等軸組織，晶粒稍粗，晶粒度8.0級；固溶+時效處理后的顯微組織為細小均勻等軸α相+晶間β相，晶粒度9.0級；β熱處理后的顯微組織為細小均勻的等軸β晶粒，晶粒度8.5級，平均晶粒尺寸約15 μm。綜上，在低氧TC4-LC鈦合金棒材鍛態組織形態一定的情況下，不同熱處理工藝得到的顯微組織不同。但固溶處理后的顯微組織與退火時相比，除晶粒稍粗一些外未發生明顯變化。固溶+時效熱處理和β熱處理后的顯微組織較退火時變化明顯，尤其是β熱處理后的組織已為等軸β晶粒。

圖1 不同熱處理制度下低氧TC4-LC合金顯微組織(a)退火；(b)固溶；(c)固溶+時效；(d)β熱處理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合金的力學性能

低氧TC4-LC鈦合金棒材改鍛后，分別經退火、固溶、固溶+時效以及β熱處理后的力學性能如表3所示。另外，表3還列出了GB/T 2965—2007《鈦及鈦合金棒材》中規定的TC4-ELI和TC4鈦合金材料的力學性能。由表3可以看出，低氧TC4-LC鈦合金退火后的抗拉強度為816 MPa，屈服強度為745 MPa，斷后伸長率為10.0%，斷面收縮率為32%，其中抗拉強度、屈服強度均未達到TC4-ELI鈦合金的要求。經固溶處理后的抗拉強度為838 MPa，屈服強度為764 MPa，斷后伸長率為11.0%，斷面收縮率為39%，均較退火態略有升高，已達到TC4-ELI鈦合金的要求。經固溶+時效處理后的抗拉強度為872 MPa，屈服強度為773 MPa，斷后伸長率為11.5%，斷面收縮率為54%，綜合性能進一步提高，尤其是斷面收縮率，較退火態增加了50%以上，這主要與固溶+時效處理后的晶粒較細有關(晶粒度9.0級)。等軸初生α相晶粒大小對材料塑性有直接影響，晶粒越細小，材料塑性越優異[3]。然而固溶+時效處理試樣仍未達到TC4鈦合金的要求。經β熱處理后的抗拉強度進一步提高至894 MPa，已接近GB/T 2965—2007對TC4鈦合金要求的895 MPa，但屈服強度為753 MPa，斷后伸長率略降低至10.0%，斷面收縮率急劇降低至23%，這是因為經β熱處理后，顯微組織為等軸β晶粒，片層組織的拉伸性能，特別是塑性比較低，因此綜合性能未達到GB/T 2965—2007對TC4ELI 合金(屈服強度≥760 MPa)和TC4合金(斷面收縮率≥25%)的要求。

表3 不同制度熱處理后低氧TC4-LC合金的力學性能

出現以上結果的主要原因是該TC4-LC鈦合金氧含量相對比較低，GB/T 3620.1—2016《鈦及鈦合金牌號和化學成分》中規定TC4-ELI合金的氧含量≤0.13%，工業生產中基本按0.10%～0.13%控制，而該TC4-LC合金中氧含量為0.08%～0.09%，已經小于0.10%。

另外，合金中Al、V含量均未達要求中間值，相對偏低一些，也是導致綜合力學性能偏低的因素之一。除此以外，根據圖1所示的顯微組織形貌和表3所示的力學性能數據還可看出，在化學成分一定的前提下，顯微組織在很大程度上決定了材料的力學性能。氧含量偏低時，通過不同的熱處理僅能在一定程度上改善其力學性能，但無法達到GB/T 2965—2007規定的TC4鈦合金棒材性能要求。

2.3 重熔TC4合金的顯微組織

重熔改鍛后的TC4鈦合金棒材經退火、固溶、固溶+時效以及β熱處理后的顯微組織如圖2所示。可以看出經退火后的顯微組織為等軸組織，含球狀α相 及少量晶間β相，無原始β晶界，晶粒度9.0級；經固溶處理后的顯微組織為在轉變的β基體上含有少量的等軸初生α相晶粒；經固溶+時效后的顯微組織呈雙態組織，在轉變的β基體上含有細針狀α相及不連續的等軸初生α相晶粒；經β熱處理后的顯微組織呈片層組織，即針狀完全β轉變組織，原始β晶界清晰完整。由此可以看出，重熔TC4鈦合金經不同工藝熱處理得到的顯微組織差異較大，不同顯微組織會直接決定該重熔TC4鈦合金的力學性能。

圖2 不同熱處理制度下重熔TC4合金的顯微組織(a)退火；(b)固溶；(c)固溶+時效；(d)β熱處理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合金的力學性能

重熔改鍛后的TC4鈦合金棒材經退火、固溶、固溶+時效以及β熱處理后的力學性能數據如表4所示。可以看出，經退火后的抗拉強度為989 MPa，屈服強度為920 MPa，較低氧TC4-LC改鍛棒材提升了20%以上，主要原因是經配料真空自耗重熔后，合金中氧含量升至0.2%，更多的氧原子進入合金內，導致金屬晶體的晶格發生扭曲，產生更加嚴重的畸變，使位錯運動阻力大大增加，從而使該重熔TC4合金的室溫強度顯著提高[4]。該熱處理制度下，材料綜合性能已滿足GB/T 2965—2007規定的TC4合金性能要求。經固溶處理后，抗拉強度為1075 MPa，屈服強度為1043 MPa，均大幅度提高，但斷面收縮率略有降低，為38%，斷后伸長率則明顯降低，為7.5%，已不滿足TC4鈦合金的要求。經固溶+時效處理后的抗拉強度進一步提高至1092 MPa，屈服強度為975 MPa，有一定程度降低，斷后伸長率為11.5%，斷面收縮率為35%，可以滿足TC4合金的要求，主要原因是固溶處理后入水快速水冷得到的組織為α′+α″+β亞穩相，在后續時效過程中亞穩相分解為彌散的α和β相，從而使該合金的強度和塑性匹配進一步優化[5]。經β熱處理后的抗拉強度為1051 MPa，屈服強度為903 MPa，均有一定程度降低，而斷后伸長率為4.0%，斷面收縮率為11%，均急劇降低，此時的塑性已經不能滿足TC4鈦合金的要求，主要原因是經β熱處理，顯微組織出現明顯的沿晶界分布的片層組織(如圖2(d)所示)，導致合金力學性能大幅度降低。因此，在實際工業化生產過程中，應當避免出現片層組織[6]。

表4 重熔TC4合金經不同制度熱處理后的力學性能

綜上所述，重熔TC4鈦合金在化學成分確定的情況下，不同熱處理工藝得到的顯微組織對力學性能有重要影響。合金中的氧含量增加后，強度大幅度提高，塑性在退火處理后略有提高，β熱處理后急劇降低，固溶+時效處理后斷面收縮率也明顯降低，固溶處理后斷后伸長率降低30%左右。β熱處理和固溶處理后力學性能已不滿足GB/T 2965—2007對TC4鈦合金的要求，而退火和固溶+時效處理后力學性能可以滿足。表明通過優化合金成分重熔來改善TC4-LC合金材料性能的方法可行，后續為落實客戶需求，進一步優化設計合金成分和熱處理工藝，盡快將庫存積壓TC4-LC合金棒材處理。

3 結論

1) 由于氧含量較低，通過調整熱處理制度只能在一定程度上提高低氧TC4-LC合金的力學性能，經固溶、固溶+時效處理后可以滿足GB/T 2965—2007《鈦及鈦合金棒材》規定的TC4-ELI鈦合金的力學性能要求，但均不能滿足其對TC4鈦合金的力學性能要求。

2) 重熔TC4鈦合金因氧含量提高，強度大幅度提高，塑性除退火處理一定程度提高，其它熱處理不同程度降低。其中，β熱處理和固溶處理后力學性能不滿足GB/T 2965—2007對TC4鈦合金的要求，而退火和固溶+時效處理后的力學性能可以滿足。