鈦合金因其比強(qiáng)度高、耐腐蝕、高溫力學(xué)性能好、抗疲勞和抗蠕變等性能優(yōu)良的特點(diǎn)，在航空航天飛行器、艦艇及兵器等部件制造中的應(yīng)用日益廣泛[1]。TC4鈦合金（Ti-6Al-4V）是雙相合金，具有良好的綜合性能，組織穩(wěn)定性好，有良好的韌性、塑性和高溫變形性，能較好地進(jìn)行熱壓力加工、淬火、時(shí)效使合金強(qiáng)化[2-8]。

現(xiàn)階段對(duì)鈦合金的研究主要集中在退火處理和固溶時(shí)效處理[9-14]，主要是固溶及時(shí)效溫度和時(shí)間對(duì)其力學(xué)性能和組織的影響。固溶和時(shí)效處理能提高TC4鈦合金的強(qiáng)度，TC4鈦合金固溶處理后一般采用水淬，水淬后表面氧化嚴(yán)重。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外真空氣淬爐的發(fā)展比較迅速，這為鈦合金的熱處理提供了更多的選擇空間，而且真空熱處理的表面氧化較少，對(duì)環(huán)境的污染少，是熱處理行業(yè)一個(gè)重要的發(fā)展方向。

本文采用真空氣淬熱處理爐對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行固溶處理和時(shí)效處理，研究不同氬氣氣淬壓力下合金的組織和力學(xué)性能演變規(guī)律，分析了不同條件下的斷口形貌，為合金的真空氣淬熱處理提供理論依據(jù)。

1、試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用材料為T(mén)C4鈦合金棒材，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％）為0.08Ｃ、0.26Fe、0.035Ｎ、0.013H、0.16O、6.3Al、4.2Ｖ，余量Ti。采用的設(shè)備是真空高壓氣淬熱處理爐，設(shè)備的參數(shù)為爐溫均勻性±5℃，最高氣淬壓力6bar（1bar＝0.1ＭPa），極限真空度1×10^-4Pa，裝爐量200kg，裝爐方式為小批量裝爐。對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行真空固溶處理，然后采用管式熱處理爐進(jìn)行時(shí)效處理。將尺寸為15ｍｍ×15ｍｍ×225ｍｍ的TC4鈦合金棒材放置于真空高壓氣淬熱處理爐內(nèi)，抽真空至2×10^-4Pa，待爐溫升至鈦合金α-β相區(qū)溫度955℃后保溫60min，保溫結(jié)束后分別進(jìn)行壓強(qiáng)為2、4和6bar的氬氣氣淬冷卻至室溫，延遲淬火時(shí)間不超過(guò)10ｓ，取出試樣后在管式爐內(nèi)進(jìn)行低溫時(shí)效550℃保溫5ｈ，空冷。對(duì)熱處理后的TC4鈦合金試樣進(jìn)行金相樣品制備，為了分析合金熱處理后的組織演變規(guī)律，通過(guò)徠卡ＤＭＩ8型光學(xué)顯微鏡（OM）和ＺＥＩＳＳＧｅｍｉｎｉＳＥＭ300型掃描電鏡（ＳＥＭ）觀察試樣微觀組織。按照ＧＢ／Ｔ228.1—2021《金屬材料　拉伸試驗(yàn)　第1部分：室溫試驗(yàn)方法》和ＧＢ／Ｔ229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》制備拉伸試樣和沖擊試樣，具體尺寸如圖1所示，并利用ＩＮＳＴＲＯＮ5982型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和ＺＢＣ3302-Ａ型指針式金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試不同熱處理?xiàng)l件下TC4鈦合金的力學(xué)性能。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　不同氣淬壓力的微觀組織

圖2是TC4鈦合金在不同氬氣氣淬壓力下的顯微組織，可以看出，經(jīng)時(shí)效處理后合金的組織主要由細(xì)長(zhǎng)的α相和已轉(zhuǎn)變的針狀β相組成，隨著固溶處理氬氣氣淬壓力的增加，時(shí)效后α相大致呈粗化趨勢(shì)，數(shù)量先減小后增加。這是因?yàn)殡S著氬氣氣淬壓力的增加，相同條件下氬氣氣淬壓力大的冷卻速度快，淬火后獲得的亞穩(wěn)β相或馬氏體越多，在隨后的時(shí)效過(guò)程中亞穩(wěn)β相會(huì)進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?，?dāng)氬氣氣淬壓力增加到4bar時(shí)，由于部分亞穩(wěn)的β相轉(zhuǎn)變成α相的數(shù)量少或者氬氣氣淬后轉(zhuǎn)變成的馬氏體較多，造成α相數(shù)量有小幅度的減少。當(dāng)氬氣氣淬壓力進(jìn)一步增加為6bar時(shí)，形成的馬氏體進(jìn)一步長(zhǎng)大，造成α相粗化數(shù)量又進(jìn)一步增多。晶界處有細(xì)長(zhǎng)鏈狀α相和少量的針狀β相析出，呈連續(xù)或者不連續(xù)分布，晶內(nèi)細(xì)長(zhǎng)α相和針狀β相交替分布，部分區(qū)域兩相平行排布，有些區(qū)域兩相則呈一定角度排布。

圖3是TC4鈦合金在不同氬氣氣淬壓力下的ＳＥＭ圖。表1是TC4鈦合金不同氬氣氣淬壓力下相含量和尺寸，尺寸測(cè)量采用ＮａｎｏＭｅａｓｕｒｅｒ軟件測(cè)試獲得。從圖3和表1可以看出，隨著固溶處理氬氣氣淬壓力的增加，細(xì)長(zhǎng)α相的平均寬度逐漸增大，α相的平均長(zhǎng)度先微降后增加，其在組織中的占比先減小后增加，針狀β相的平均寬度則先減小后微增，β相的平均長(zhǎng)度則逐漸減小，β相在組織中的占比則先增加后減小。隨著氬氣氣淬壓力的增大，冷卻速度加快，TC4鈦合金亞穩(wěn)β相不斷轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?，同時(shí)鈦合金固溶處理氬氣氣淬后還會(huì)直接形成馬氏體，并且部分已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)棣料嗟鸟R氏體會(huì)長(zhǎng)大，造成α相和β相數(shù)量、尺寸發(fā)生變化。

由表1可見(jiàn)，當(dāng)固溶處理氬氣氣淬壓力為2bar時(shí)，微觀組織中細(xì)長(zhǎng)α相的平均寬度最小，尺寸范圍在2.9～3.5μｍ，針狀β相的平均寬度最大，尺寸范圍在0.86～1.43μｍ，α相的平均長(zhǎng)度居中，β相的平均長(zhǎng)度最長(zhǎng)，β相的體積分?jǐn)?shù)居中，約為７0.6％；當(dāng)固溶處理氬氣氣淬壓力4bar時(shí)，微觀組織中細(xì)長(zhǎng)α相的平均寬度居中，尺寸在2.8～4.3μｍ，針狀β相的平均寬度最小，尺寸為0.85～1.14μｍ，α相的平均長(zhǎng)度最小，β相的平均長(zhǎng)度居中，β相的體積分?jǐn)?shù)最大，約為７9.4％；固溶處理氬氣氣淬壓力為6bar時(shí)，微觀組織中細(xì)長(zhǎng)α相的平均寬度最大，尺寸范圍在2.9～4.9μｍ，針狀β相的平均寬度居中，尺寸范圍為0.82～1.29μｍ，α相的平均長(zhǎng)度最長(zhǎng)，β相的平均長(zhǎng)度最小，β相的體積分?jǐn)?shù)最小，約為56.6％。

2.2　不同氣淬壓力的力學(xué)性能及斷口形貌

將固溶處理不同氬氣氣淬壓力的試樣進(jìn)行相同時(shí)效處理，然后進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，根據(jù)ＧＢ／Ｔ2965—2023《鈦及鈦合金棒材》，分析不同固溶處理氬氣氣淬壓力對(duì)TC4鈦合金力學(xué)性能的影響，結(jié)果如圖4和表2所示。由圖4和表2可以看出，固溶處理氬氣氣淬壓力為2bar時(shí)，除沖擊吸收能量不滿足ＧＢ／Ｔ2965技術(shù)要求外，其他技術(shù)指標(biāo)均滿足要求；固溶處理氬氣氣淬壓力為4bar時(shí)，各項(xiàng)力學(xué)性能均滿足技術(shù)要求；固溶處理氬氣氣淬壓力為6bar時(shí)，除洛氏硬度外，其他力學(xué)性能均滿足技術(shù)要求，但是其強(qiáng)度相比4bar時(shí)下降較多，這與該條件下的微觀組織有關(guān)。隨著固溶處理氬氣氣淬壓力的增加，合金的抗拉強(qiáng)度先小幅增加后降低，伸長(zhǎng)率、斷面收縮率和沖擊吸收能量增加，硬度則先升高后降低。

TC4鈦合金力學(xué)性能的變化與合金熱處理后的微觀組織密切相關(guān)。從圖2和圖3的顯微組織可得，固溶處理氬氣氣淬壓力2bar下，α相的平均寬度較小，β相的平均寬度較大，α相和β相的平均長(zhǎng)度較長(zhǎng)，并且β相的體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較高，導(dǎo)致其強(qiáng)度、塑性硬度均滿足技術(shù)要求，但韌性略低，不滿足技術(shù)要求；固溶處理氬氣氣淬壓力4bar下，α相的寬度和β相的體積分?jǐn)?shù)與固溶處理氬氣氣淬壓力2bar相比較均有增加，β相的寬度、α相和β相的平均長(zhǎng)度相比則有所減少，其綜合力學(xué)性能最好；固溶處理氬氣氣淬壓力6bar下，α相和β相的平均寬度相比固溶處理氬氣氣淬壓力4bar則有小幅增加，α相的平均長(zhǎng)度最大，β相的平均長(zhǎng)度最小，但是β相的體積分?jǐn)?shù)則相比固溶處理氬氣氣淬壓力2bar和4bar時(shí)下降較多，據(jù)文獻(xiàn)[15-16]報(bào)道，一般來(lái)說(shuō)鈦合金中α相數(shù)量越多或α相片層間距越大，其抗拉強(qiáng)度和硬度越低，這也是導(dǎo)致其力學(xué)性能降低的原因。此外，由表2和圖3還可得，固溶處理氬氣氣淬壓力6bar下的塑性和韌性是三者中最好的，這可能與β相的平均寬度和平均長(zhǎng)度較小有關(guān)。

對(duì)TC4鈦合金固溶處理和時(shí)效處理后拉伸試樣和沖擊試樣的斷口形貌進(jìn)行觀察分析。圖5為ＴＣ4鈦合金經(jīng)固溶處理后不同氣淬壓力＋相同時(shí)效處理后的拉伸斷口形貌。由圖5可知，當(dāng)固溶處理氬氣氣淬壓力為2bar時(shí)，拉伸試樣斷口主要呈韌性斷裂和脆性斷裂的混合特征，中心位置的韌窩較大，深度較淺，呈現(xiàn)韌性斷裂的特征，中心部分區(qū)域出現(xiàn)河流狀花樣，呈現(xiàn)脆性斷裂特征。從力學(xué)性能上看，其伸長(zhǎng)率和斷面收縮率較低。當(dāng)固溶處理氬氣氣淬壓力為4bar時(shí)，斷口主要呈現(xiàn)韌性斷裂的特征，拉伸試樣斷口中心位置韌窩較小，深度較淺，中心其他區(qū)域韌窩不均勻，有較大較深的韌窩也有較小較淺的韌窩，其伸長(zhǎng)率和斷面收縮率比固溶處理氬氣氣淬壓力2bar時(shí)的要高。當(dāng)固溶處理氬氣氣淬壓力為6bar時(shí)，拉伸試樣斷口主要呈現(xiàn)典型的韌性斷裂特征，斷口中心位置纖維區(qū)韌窩特征非常明顯，韌窩的尺寸和深度比較均勻，韌窩深度相比固溶處理氬氣氣淬壓力為2bar和4bar的要深，從表2的力學(xué)性能數(shù)據(jù)來(lái)看，其伸長(zhǎng)率和斷面收縮率在3個(gè)不同氣淬壓力下最高。

圖6為T(mén)C4鈦合金不同固溶處理氬氣氣淬壓力下的沖擊斷口形貌。由圖6可知，當(dāng)固溶處理氬氣氣淬壓力為2bar時(shí)，沖擊試樣斷口主要呈韌性斷裂特征，韌窩分布不均勻，韌窩的尺寸差異很大且較淺，由表2的力學(xué)性能數(shù)據(jù)可知，其沖擊吸收能量較低。當(dāng)固溶處理氬氣氣淬壓力為4bar時(shí)，沖擊試樣斷口呈典型的韌性斷裂特征，斷口中心區(qū)域尺寸較大、較深的韌窩周圍存在許多細(xì)小的韌窩，其沖擊吸收能量相比固溶處理氬氣氣淬壓力2bar的高。當(dāng)固溶處理氬氣氣淬壓力為6bar時(shí)，沖擊試樣斷口也呈典型的韌性斷裂特征，中心部分區(qū)域是尺寸較大的韌窩，部分區(qū)域是尺寸較小的韌窩，韌窩的深度也不均勻，但相比固溶處理氬氣氣淬壓力為2bar和4bar的韌窩均勻性較好，其沖擊吸收能量最高。

3、結(jié)論

1）TC4鈦合金經(jīng)過(guò)955℃×1ｈ固溶處理和550℃×5ｈ時(shí)效處理后，隨著固溶處理氬氣氣淬壓力的增加，時(shí)效處理后α相呈粗化趨勢(shì)，細(xì)長(zhǎng)α相的平均寬度逐漸增大，α相的平均長(zhǎng)度先微降后增加，其在組織中的占比先減小后增加，針狀β相的平均寬度則先減小后增大，β相的平均長(zhǎng)度則逐漸減小，β相在組織中的占比則先增加后減小。

2）隨固溶處理氬氣氣淬壓力的增加，合金的抗拉強(qiáng)度先增加后降低，伸長(zhǎng)率、斷面收縮率、沖擊性能增大，硬度則先升高后降低，當(dāng)固溶處理氬氣氣淬壓力為4bar時(shí)，其綜合力學(xué)性能最好，此時(shí)合金組織中的β相的體積分?jǐn)?shù)最高，α相和β相的寬度較小。

3）固溶處理氬氣氣淬壓力為2bar時(shí)，拉伸試樣斷口主要呈韌性斷裂和脆性斷裂的混合特征，當(dāng)固溶處理氬氣氣淬壓力為4和6bar時(shí)，拉伸試樣斷口都呈韌性斷裂特征，固溶處理氬氣氣淬壓力為2、4和6bar時(shí)，沖擊試樣斷口均呈現(xiàn)韌性斷裂特征。

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