发布日期：2025-10-1 10:35:23
钛合金由于具有比强度高、耐蚀性好等特点，在航空、航天、海洋工程等领域得到广泛应用 [1-3]。其中 α+β 两相钛合金兼具 α 钛合金的热稳定性及 β 钛合金的可热处理强化等特点，表现出较好的综合力学性能 [4-5]。TC4 钛合金 ( Ti6Al-4V) 是一种典型的 α+β 两相钛合金，由于其优异的综合力学性能和良好的成形性，可制备板材、棒材、环材、管材等多种形式的产品，应用范围最为广泛，被称为 “万能钛合金”[6]。TC4 钛合金经不同的热变形及热处理工艺可以获得不同的组织类型，例如，采用 α+β 两相区变形可获得典型的等轴组织，而对抗断裂及裂纹扩展能力要求较高的航空或海洋工程结构件，可采用 β 热变形或 β 热处理工艺获得具有较高损伤容限性能的网篮组织 [7]。
以往针对TC4钛合金的研究主要关注热变形及热处理工艺对TC4钛合金板材组织及力学性能的影响 [8-10]。苏化冰等 [11] 研究了锻造工艺对TC4钛合金组织及冲击韧性的影响，研究发现，TC4 钛合金经 α+β 两相区锻造后均得到双态组织，而随着锻造温度升高，组织中等轴初生 α 相减少，尺寸减小，随着锻造后冷却速率的降低，片层次生 α 相的尺寸增大，有利于提高TC4钛合金的冲击韧性。高飞等 [12] 研究了热处理对TC4钛合金板材韧性的影响，结果表明，等轴组织TC4钛合金板材冲击韧性低、裂纹扩展速率高，而经两相区较高温度退火后，TC4 钛合金板材的显微组织类型为双态组织，其冲击韧性升高，裂纹扩展速率降低。
此外，由于钛合金中密排六方 α 相具有较低的晶体对称性，α+β 两相钛合金通常表现出一定程度的力学性能各向异性 [13-18]。蔺海等 [19] 研究了板材的轧制方式和热处理工艺对 TC4-DT 钛合金板材各向异性的影响，与单向轧制相比，换向轧制 TC4-DT 钛合金板材的组织破碎更充分，初生 α 相更小，无明显的各向异性。同晓乐等 [20] 研究了不同轧制厚度 ( 0.8~2.0 mm)TC4钛合金板材的组织与性能，结果表明，经轧制退火后的TC4钛合金板材组织为等轴组织，随着板材厚度的减小，组织晶粒细化明显，板材强度增大，并且其力学性能具有一定程度的各向异性，然而对板材各向异性产生的原因未做深入分析。白新房等 [21] 分析了TC4钛合金宽幅厚板的组织结构及织构分布，研究了厚板不同位置的疲劳性能变化，结果表明，厚板不同位置处的组织与疲劳性能呈现较大差异，然而缺乏针对板材强度、韧性的研究。
随着海洋强国战略的实施，海洋工程领域对TC4钛合金板材，尤其是低成本、高性能、大规格TC4钛合金厚板的需求日益增大 [22-23]。目前针对TC4钛合金板材的研究主要关注如何提升其综合力学性能，而针对厚板的组织性能均匀性以及板材力学性能各向异性的研究较少。为此，本研究探索了不同热变形工艺条件下TC4钛合金厚板不同厚度位置以及不同方向的力学性能分布，揭示了TC4钛合金厚板力学性能各向异性产生的原因，为高性能、大规格TC4钛合金厚板的制备提供理论支撑。
1、试验材料与方法
试验材料为TC4钛合金 (实测 Al 的质量分数为 6.4%,V 的质量分数为 4.3%), 用金相法测得其相变温度为 ( 995±5) ℃。首先采用万吨锻造机，通过控制 β 区和两相区的总变形量以及各火次的开锻和终锻温度，增加TC4钛合金的锻透性，制备组织性能均匀的板坯。随后分别采用 α+β 两相区 ( 880 ~940 ℃) 轧制和 β 单相区 ( 高于相变温度) 轧制两种变形方式，轧制 50 mm 厚的成品板材。
显微组织表征：从板材上切取尺寸为 10 mm×10 mm×10 mm 的试样，经 150#~3000# 砂纸机械研磨和抛光后，采用 Kroll 试剂进行腐蚀处理，分别利用 Axiovert 200MAT 金相显微镜 (OM) 和 TESCAN MIRA3 场发射扫描电子显微镜 ( SEM) 对经两种不同工艺处理的TC4钛合金板材进行光学组织和高倍形貌观察，并利用 Image-ProPlus6.0 图像处理软件计算组成相显微结构尺寸。最后，利用 Nordlys Max3 对TC4钛合金板材的 α、β 两相织构进行电子背散射衍射 ( EBSD) 表征，并且利用 HKL-Channel 5 软件进行数据分析。
力学性能测试：拉伸试验取直径为 5 mm、标距为 25 mm 的试样，在 TSE105D 微机控制电子万能试验机上进行测试；V 型缺口冲击试样尺寸为 10 mm × 10 mm × 55 mm, 缺口深度为 2 mm, 在 HIT450P 摆锤式冲击试验机上进行测试；断裂韧性采用厚度 B=30 mm、宽度 W=60 mm 的紧凑拉伸 (CT) 试样，在 MTS 810 型伺服液压试验机上进行测试。
2、试验结果与分析
2.1 显微组织
板材低倍形貌如图 1 所示，其中板材轧向为 RD, 板材横向为 TD, 板厚方向为 ND。可以看出，两种钛合金板材的纵截面组织均匀，其中 β 热变形制备板材的低倍组织呈清晰晶特征，沿厚度方向芯部晶粒略微粗大，表层位置晶粒细小；而 α+β 热变形制备板材的低倍组织呈模糊晶特征，且晶粒尺寸沿板材厚度方向均匀一致。
两种TC4钛合金板材的高倍 SEM 显微组织如图 2 所示。可以看出，α+β 热变形工艺下得到了等轴组织，其由等轴初生 α 相、片层次生 α 相及 β 基体构成，其中等轴初生 α 相的晶粒尺寸约为 12.9 μm; β 热变形工艺下得到了片层组织，其由晶界片层 α 相、晶内片层 α 相及 β 基体构成，其中晶内片层 α 相的晶粒尺寸约为 2.6 μm, 晶界片层 α 相的晶粒尺寸则远大于等轴初生 α 相的。因此，两种合金板材低倍形貌差异来源于不同的显微组织类型。
进一步观察两种TC4钛合金板材沿不同厚度位置及方向的组织形貌，对比分析两种板材的显微组织成分及均匀性的差异，板材纵截面不同放大倍数的光学组织如图 3 所示。从图 3 (a) 可以看出，在同一厚度处，等轴组织TC4钛合金板材 ND-TD 面和 ND-RD 面显微组织基本无差异，组织中均匀分布着细小的等轴初生 α 相；沿板材厚度方向可以看出，板材表层位置的片层次生 α 相的晶粒尺寸较小，芯部位置的片层次生 α 相的晶粒尺寸略粗大。从图 3 ( b) 可以看出，在同一厚度处，片层组织板材的 ND-TD 面和 ND-RD 面显微组织基本无差异，其中板材表层位置的原始 β 晶粒及 α 集束的晶粒尺寸均略小于板材芯部位置的。
2.2 力学性能
2.2.1 拉伸性能
为研究板材力学性能的均匀性，分别取板材上表层、板材中心 A (靠近上表层) 、板材中心 B ( 靠近下表层) 、下表层 4 个测量点，测试板材厚度方向多点位置 RD、TD 方向的力学性能，拉伸性能如图 4 所示。
从图中可以看出，等轴组织TC4钛合金板材的屈服强度和抗拉强度均高于片层组织板材的，其中 RD 方向的屈服强度高 23 ~59 MPa,TD 方向的屈服强度高 65~81 MPa,RD 方向的抗拉强度高 16~39 MPa,TD 方向的抗拉强度高 45 ~66 MPa。同时，等轴组织TC4钛合金板材的断后伸长率及断面收缩率更高，表现出更高的强度 - 塑性匹配。这主要是由于等轴组织中等轴初生 α 相及片层次生 α 相的晶粒尺寸远小于片层组织中晶界片层 α 相和 α 集束的尺寸，起到更强的细晶强化作用，因此等轴组织TC4钛合金板材的强度更高。同时由于片层组织中片层 α 相与 β 基体存在 Burgers 取向关系，位错容易产生长距离滑移，导致快速断裂，而等轴组织中等轴 α 相与 β 基体能够产生更好的协调变形效果，因此等轴组织TC4钛合金板材的塑性更好。进一步分析可知，等轴组织TC4钛合金板材沿厚度方向的屈服强度差值约为 20 MPa, 抗拉强度差值约为 20 MPa, 断后伸长率差值约为 2%, 断面收缩率差值约为 5%, 波动幅度很小，片层组织TC4钛合金板材也呈现出相同规律。由此表明，板材沿厚度方向的拉伸性能呈现出较好的均匀性。两种钛合金板材 RD 方向的屈服强度和抗拉强度均低于 TD 方向的，而 RD 方向的断后伸长率和断面收缩率均高于 TD 方向的，呈现出一定程度的拉伸性能各向异性。
2.2.2 韧性
两种TC4钛合金板材厚度方向多点位置 RD、TD 方向的冲击韧性、断裂韧性如图 5 所示。从图中可以看出，片层组织TC4钛合金板材的冲击韧性和断裂韧性均高于等轴组织的。板材沿厚度方向的冲击韧性和断裂韧性波动幅度较小，表明其组织均匀性较好。在同一厚度处，同种钛合金板材在 RD 方向的冲击韧性略高于 TD 方向的，沿 TD-RD 方向的断裂韧性略高于 RD-TD 方向的，总体来说，钛合金板材呈现出一定程度的韧性各向异性。
图 6、图 7 为两种TC4钛合金板材冲击断口形貌及断口路径的 EBSD 分析结果。可以看出，等轴组织的断口平直，表明其抵抗裂纹扩展的能力较低；而片层组织断口的裂纹扩展路径更加曲折，从而增加了裂纹总长度，使自裂纹扩展至断裂的过程消耗更多能量，因此片层组织表现出更高的韧性。进一步分析断口路径的 EBSD 结果，从图 7 可知，等轴组织的断裂过程中 α/β 相界面处容易产生应力集中，形成微裂纹，随后裂纹扩展过程中主要沿 α/β 相界面扩展或者穿过 α 晶粒进行扩展，由于等轴初生 α 相的尺寸较小，且相邻 α 相晶粒取向不同，导致其扩展路径平直；片层组织中存在尺寸较大的晶界片层 α 相和晶体取向一致的 α 集束，位错滑移阻力较低，容易产生长距离滑移，导致在晶界片层 α 相或者在 α 集束边界处形成微裂纹，然而当裂纹扩展至不同取向晶粒或 α 集束时，其扩展路径发生明显偏折，大幅增加了裂纹扩展路径长度，使得合金断裂消耗能量明显增大，因此片层组织表现出较高的韧性，这与冲击断口形貌的分析结果相吻合。
综上所述，显微组织类型对TC4钛合金板材的力学性能产生了一定影响，等轴组织TC4钛合金板材由于细晶强化作用，其强度 - 塑性匹配优于片层组织板材的，而片层组织TC4钛合金板材由于较强的组织增韧作用，表现出更高的冲击韧性和断裂韧性。此外，同种TC4钛合金板材表层、芯部位置的力学性能差异较小，呈现良好的组织性能均匀性。
2.2.3 力学性能各向异性分析
从图 4、图 5 可以看出，两种TC4钛合金板材均存在一定程度的力学性能各向异性。对两种TC4钛合金板材进行晶体取向分析，结果如图 8、图 9 所示。从图 8 可以看出，等轴组织TC4钛合金板材表层位置与芯部位置均存在择优取向，主要为 <0001>α//TD 方向的 α 相织构，当载荷方向平行 TD 时，<0001>α//TD 的 α 晶粒滑移难以激活，需要更大的应力去激活 滑移，因此板材沿 TD 方向的抗拉强度高于 RD 方向的 [24]。从图 9 可以看出，片层组织TC4钛合金板材同样存在 < 0001>α//TD 方向的 α 相织构，导致其 TD 方向的抗拉强度高于 RD 方向的。然而，由于片层组织板材热变形温度主要在 β 单相区，片层 α 相形成于变形后的冷却过程，因此 α 相变形织构强度较低，导致片层组织板材不同方向的强度差异小于等轴组织板材的。
此外，分析认为两种TC4钛合金板材的韧性各向异性主要与组织形态有关，从图 3 可以看出，两种TC4钛合金板材沿 RD 方向均存在明显的组织流线，导致裂纹沿垂直 RD 方向扩展的过程中，穿过的平行排列的片层 α 相的数目增多，穿晶断裂的阻力明显增大 [14,25], 从而导致 TD-RD 方向的冲击韧性和断裂韧性均高于 RD-TD 方向的，与两种钛合金板材的韧性测试结果相吻合。
3、结论
(1) 采用 β 热变形、α+β 热变形可以分别获得片层组织、等轴组织TC4钛合金板材，其中片层组织由晶界片层 α 相、晶内片层 α 相及 β 基体构成，等轴组织由等轴初生 α 相、片层次生 α 相及 β 基体构成。
(2) 力学性能测试表明，等轴组织板材的强度 - 塑性匹配高于片层组织板材的，而片层组织板材的冲击韧性和断裂韧性高于等轴组织板材的。
(3) 两种组织TC4钛合金板材沿厚度方向的组织及力学性能均匀性较好，但沿板材其他方向存在各向异性，其中 TD 方向的屈服强度和抗拉强度高于 RD 方向的，而 TD-RD 方向的断裂韧性高于 RD-TD 方向的。这是因为，板材热成形过程形成 < 0001>α//TD 的 α 相织构，TD 方向受力时，滑移系开动的临界剪切应力增大，导致板材 TD 方向的强度更高；板材沿 RD 方向存在明显的组织流线，裂纹垂直 RD 扩展过程中，穿过的平行排列的片层 α 相的数目更多，因此钛合金板材 TD-RD 方向穿晶断裂过程中阻力增大，其冲击韧性和断裂韧性更高。
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（注，原文标题：两种TC4钛合金板材的显微组织均匀性及力学性能各向异性研究）
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