钛及(ji)钛(tai)合金具(ju)有(you)强(qiang)度高(gao)、耐高(gao)温(wen)、耐(nai)腐蚀(shi)、无磁(ci)性等众多优(you)异性(xing)能(neng)，导(dao)致其(qi)在众(zhong)多(duo)领域(yu)都有十(shi)分广(guang)泛的应(ying)用，例(li)如(ru)：海(hai)洋(yang)工程(cheng)、石油勘探(tan)、化学化(hua)工(gong)、航(hang)天航空(kong)等(deng)领域[1］。TC18钛(tai)合(he)金为一(yi)种(zhong)十(shi)分(fen)常见(jian)的(de)高强高(gao)韧(ren)钛合金(jin)，其名义成分是Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，因为(wei)该合(he)金(jin)具有良(liang)好的力学(xue)性(xing)能，所以其在(zai)飞(fei)机(ji)起(qi)落架、飞机(ji)承重(zhong)梁(liang)等(deng)大(da)型(xing)承力结构(gou)件中(zhong)有(you)十(shi)分广泛的使(shi)用[2］。
因(yin)为(wei)TC18钛合(he)金(jin)的广(guang)泛使用(yong)，国内外(wai)学者对(dui)该合(he)金的(de)研究同样十分(fen)广泛(fan)，熊(xiong)智豪等(deng)[3］对TC18钛(tai)合金(jin)棒材进(jin)行(xing)了多(duo)火次锻(duan)造加工，对“高－低(di)－高(gao)－低(di)”工(gong)艺(yi)进(jin)行(xing)分析，得(de)出了该(gai)合金在多火次(ci)锻造加(jia)工中(zhong)β相的织构演(yan)变规(gui)律(lv)。朱(zhu)雪峰等(deng)[4］对(dui)TC18钛(tai)合金在(zai)单相(xiang)区固溶(rong)后出现的(de)黑斑(ban)进(jin)行分析(xi)，发(fa)现(xian)这(zhe)是由于(yu)未(wei)完(wan)全(quan)再结晶(jing)β晶(jing)粒(li)内(nei)的亚晶(jing)以(yi)及位错所(suo)致(zhi)。虽(sui)然(ran)目前对TC18钛(tai)合(he)金(jin)的研(yan)究(jiu)是十分(fen)广(guang)泛，但(dan)大多数以(yi)锻(duan)造加工为主(zhu)，相(xiang)比(bi)于(yu)锻造(zao)加(jia)工(gong)，热(re)处(chu)理具有高(gao)效(xiao)、快捷、方(fang)便(bian)等优(you)点，故本(ben)文选(xuan)择(ze)直径(jing)为(wei)400mm的(de)大(da)规格TC18钛合金(jin)棒(bang)材(cai)，对其(qi)进行热处理，研(yan)究(jiu)热处理、微观(guan)组(zu)织、力(li)学性(xing)能(neng)三者(zhe)之(zhi)间(jian)的(de)关(guan)系，为(wei)大规(gui)格(ge)TC18钛(tai)合(he)金棒材(cai)在(zai)实际工(gong)程中(zhong)的(de)应(ying)用作(zuo)出(chu)相应参(can)考(kao)。
1、试(shi)验材料与方法(fa)
选用直(zhi)径为400mm的(de)大规(gui)格(ge)TC18钛(tai)合(he)金(jin)棒材作(zuo)为试(shi)验(yan)材料，棒(bang)材经(jing)三次真空(kong)自耗熔(rong)炼炉(lu)熔炼(lian)并经(jing)多(duo)火次(ci)锻造而成(cheng)，对试(shi)验用棒(bang)材(cai)进(jin)行(xing)化(hua)学成分(fen)测试，测(ce)得棒(bang)材具(ju)体化(hua)学成分(fen)为(wei)：51%Al、51%Mo、48%V、0.9%Cr、0.8%Fe、Ti余量。采(cai)用(yong)金相(xiang)法(fa)对(dui)试验(yan)用(yong)棒材进行(xing)相(xiang)变(bian)点(dian)检测，测得(de)棒(bang)材(cai)相(xiang)转(zhuan)变温(wen)度(du)为(wei)880～885℃。随后(hou)将试(shi)验用(yong)TC18钛(tai)合金(jin)棒材进(jin)行(xing)切割加工，从(cong)切(qie)割(ge)完成(cheng)的(de)试样(yang)中进(jin)行(xing)取(qu)样加(jia)工，观察(cha)棒(bang)材金(jin)相(xiang)组织，并(bing)测试棒(bang)材拉(la)伸(shen)性(xing)能(neng)与冲击(ji)性能，其(qi)中(zhong)金相组织(zhi)观(guan)察使用(yong)型(xing)号(hao)为(wei)AxiomaTic型光学(xue)显微(wei)镜(jing)，拉伸性(xing)能(neng)测(ce)试(shi)使用(yong)InsTron型(xing)电(dian)子(zi)万(wan)能(neng)试验(yan)机，冲(chong)击(ji)性(xing)能测试使(shi)用(yong)DJK-1型试(shi)验机测(ce)试。
2、试验结(jie)果与(yu)讨(tao)论(lun)
2.1 原(yuan)始锻态(tai)组(zu)织(zhi)
棒(bang)材原(yuan)始锻(duan)态(tai)金(jin)相组(zu)织(zhi)如图(tu)1所示，由图(tu)1可得，棒(bang)材横向(xiang)以及(ji)纵(zong)向(xiang)金相组(zu)织(zhi)十分接(jie)近(jin)，并(bing)无明显差异，棒(bang)材(cai)原始(shi)锻(duan)态(tai)金相组织由粗大(da)β晶粒(li)组成，存(cun)在(zai)明显晶界，在(zai)晶界附近(jin)有(you)细小α相(xiang)存在(zai)，在粗大β晶(jing)粒(li)内(nei)部同(tong)样存(cun)在较多(duo)细(xi)小α相(xiang)，经测试组(zu)织(zhi)中平(ping)均晶粒(li)尺(chi)寸为0.4603mm，最(zui)大晶粒尺寸(cun)为(wei)1.255mm。
2.2 热(re)处(chu)理后(hou)金(jin)相组(zu)织(zhi)
使用箱(xiang)式电(dian)阻(zu)炉对试验用(yong)TC18钛(tai)合金棒材进行(xing)热(re)处(chu)理(li)，具(ju)体热处理制度(du)为835℃/2h炉冷(leng)至750℃／2hAC＋620℃/4hAC，其中(zhong)AC表(biao)示(shi)室温冷却，合(he)金经热处(chu)理后(hou)的横(heng)向与纵(zong)向金相组(zu)织(zhi)如图2所示(shi)，由图(tu)2可知，合金(jin)横向与纵(zong)向(xiang)金(jin)相(xiang)组(zu)织(zhi)相差较(jiao)小(xiao)，经热(re)处(chu)理(li)后的(de)金(jin)相(xiang)组(zu)织主要由晶界α与(yu)次(ci)生α相(xiang)构成(cheng)。
原(yuan)始(shi)锻(duan)态组织中的粗(cu)大晶(jing)粒在(zai)锻(duan)造过(guo)程(cheng)中发生扭转(zhuan)、拉(la)长(zhang)、破(po)碎，随后在第一阶段（835℃／2h炉(lu)冷(leng)至(zhi)750℃/2hAC）加(jia)热过(guo)程中，组织(zhi)内会(hui)发(fa)生(sheng)再结晶，锻(duan)造加工时形(xing)成的破(po)碎(sui)晶粒(li)会转(zhuan)变(bian)成(cheng)位(wei)错密度较(jiao)低(di)的小(xiao)晶粒(li)，释放变(bian)形(xing)储能，在750℃保温过(guo)程(cheng)中，在(zai)原(yuan)始(shi)晶界(jie)位(wei)置(zhi)的小晶粒(li)会(hui)逐(zhu)渐长大，故组织(zhi)中(zhong)出(chu)现晶界(jie)α。同时可(ke)以(yi)发(fa)现(xian)，组(zu)织(zhi)中可(ke)见明显(xian)的β转变组(zu)织(zhi)，合金在经历620℃／4hAC的(de)第(di)二次退火(huo)处(chu)理(li)后，会提(ti)高组织的稳定(ding)性(xing)，同(tong)时(shi)组(zu)织(zhi)中(zhong)的(de)亚稳(wen)定β相(xiang)会进(jin)行(xing)分解，析(xi)出(chu)长条(tiao)状(zhuang)的次生α相(xiang)，与(yu)晶界α构(gou)成β转(zhuan)变(bian)组织。
2.3热(re)处理后(hou)力(li)学性能(neng)
合(he)金(jin)经(jing)加热(re)处(chu)理后(hou)的力学(xue)性(xing)能(neng)见(jian)表1，由表1可知(zhi)，合(he)金横(heng)向(xiang)与纵向力学(xue)性能较(jiao)为(wei)接近(jin)，无(wu)明(ming)显(xian)差(cha)异，说(shuo)明(ming)TC18钛合金(jin)棒材均(jun)匀(yun)性(xing)良(liang)好，无明(ming)显(xian)各(ge)向(xiang)异(yi)性(xing)。在拉伸性能(neng)方(fang)面，分别测(ce)试(shi)棒(bang)材(cai)的抗(kang)拉(la)强度（Ｒｍ），屈(qu)服强(qiang)度（Ｒｐ0.2），断后延伸(shen)率（Ａ）以及(ji)断面收(shou)缩(suo)率(lv)（Ｚ），可(ke)以发(fa)现，合(he)金(jin)在具有较高(gao)强(qiang)度(du)同时(shi)，并具有较好(hao)的塑(su)性(xing)，这是(shi)由(you)于合金经(jing)热处(chu)理后，组(zu)织(zhi)中包(bao)含(han)大量(liang)的(de)细(xi)小(xiao)次生α相(xiang)，导(dao)致拉伸过(guo)程(cheng)中(zhong)位(wei)错的滑(hua)移距(ju)离(li)减小(xiao)，大(da)量细(xi)小次(ci)生α相会(hui)增加组织中(zhong)位错(cuo)线的(de)密度(du)以及均匀性，在晶(jing)界(jie)处(chu)形成(cheng)的位错塞积减小(xiao)，这(zhe)会(hui)推(tui)迟在拉(la)伸过程(cheng)中空洞的生长，导致在发(fa)生(sheng)断(duan)裂前(qian)期，拉伸(shen)试(shi)样会(hui)产(chan)生(sheng)较(jiao)大形变，导(dao)致(zhi)合金(jin)塑性较高(gao)[5］。在冲(chong)击(ji)性(xing)能方面(mian)，测试棒(bang)材(cai)的冲击(ji)吸收(shou)功（Ｊ）与(yu)冲(chong)击(ji)韧(ren)性（Ｊ／ｃｍ2），可以发(fa)现，棒材(cai)横(heng)向与(yu)纵(zong)向(xiang)冲(chong)击(ji)性(xing)能(neng)接近，差(cha)异(yi)较(jiao)小。通常情(qing)况(kuang)下，影响(xiang)合(he)金冲击(ji)性能的(de)因素主要(yao)有(you)组织内(nei)部裂(lie)纹开(kai)动以及裂(lie)纹延伸(shen)所(suo)需要的能量(liang)，故(gu)合金组织的(de)抗(kang)裂(lie)纹开动(dong)以及抗裂纹(wen)延(yan)伸能力是影(ying)响合金冲(chong)击性能(neng)的本质[6］，TC18钛(tai)合金(jin)棒材在(zai)测试(shi)冲击性(xing)能时(shi)，会受到(dao)组织(zhi)中(zhong)α相的形貌尺寸以(yi)及含(han)量的影响，冲击裂(lie)纹(wen)通(tong)常(chang)在(zai)α／β相(xiang)界处(chu)或者(zhe)α／β晶粒的晶界产(chan)生(sheng)。因为(wei)合(he)金(jin)经(jing)热处(chu)理(li)后(hou)，组(zu)织(zhi)中(zhong)含有大(da)量(liang)次(ci)生(sheng)α相，当(dang)裂纹形(xing)成并进(jin)行(xing)扩(kuo)展的(de)过程中，裂纹(wen)扩(kuo)展(zhan)的(de)尖端(duan)在与次(ci)生α相(xiang)相遇时(shi)，裂纹(wen)扩(kuo)展(zhan)的方(fang)向(xiang)会(hui)产生(sheng)偏移，顺着(zhe)次(ci)生α相的位(wei)向(xiang)方(fang)向(xiang)扩(kuo)展(zhan)，由于(yu)组织(zhi)中次生(sheng)α相(xiang)含(han)量(liang)较多(duo)且交错(cuo)排列(lie)，会(hui)导致裂纹(wen)发生不(bu)连续扩(kuo)展(zhan)，增(zeng)加扩(kuo)展路径长度(du)，导(dao)致合(he)金的(de)冲击(ji)吸(xi)收功(gong)与(yu)冲击韧(ren)性较高[8］。
2.4 断(duan)口微(wei)观(guan)形(xing)貌
棒(bang)材(cai)拉(la)伸(shen)性能与(yu)冲击(ji)性(xing)能(neng)的断口(kou)微(wei)观(guan)形(xing)貌如(ru)图3所示，在拉(la)伸性能(neng)方面，图3ａ、图(tu)3ｂ分(fen)别(bie)为(wei)横(heng)向与(yu)纵向(xiang)的拉(la)伸(shen)断(duan)口(kou)微(wei)观形(xing)貌，二者的(de)断(duan)口(kou)微(wei)观形貌(mao)均以(yi)等轴状(zhuang)韧窝为主(zhu)，韧窝尺寸较(jiao)大且深(shen)度较深(shen)，韧窝(wo)的形(xing)貌会(hui)反应合(he)金的塑(su)性(xing)性能，当韧窝(wo)数(shu)量较多且(qie)深度(du)较(jiao)深(shen)时(shi)，合(he)金(jin)的塑(su)性较高，反之亦然[7］。由图3ａ、图(tu)3ｂ可知，该棒材(cai)具(ju)备(bei)较好(hao)的塑性(xing)，且抵(di)抗(kang)裂纹(wen)扩展(zhan)的(de)能力较差，容(rong)易(yi)满(man)足拉伸过程(cheng)中裂(lie)纹扩展(zhan)所需(xu)要(yao)的条件，组(zu)织内(nei)部(bu)的裂(lie)纹在扩展过程中(zhong)，即可(ke)顺(shun)着(zhe)晶界(jie)处(chu)发生(sheng)扩(kuo)展，也可进(jin)行穿晶扩(kuo)展，宏(hong)观(guan)体现(xian)为棒材塑性较(jiao)好(hao)。在(zai)冲(chong)击(ji)性能方(fang)面，图3ｃ、图(tu)3ｄ分(fen)别为(wei)横(heng)向(xiang)与纵向的(de)冲(chong)击断口(kou)微(wei)观形(xing)貌，二者的断(duan)口形貌(mao)同(tong)样(yang)是以等(deng)轴状韧(ren)窝为主，这(zhe)与拉伸过程(cheng)中(zhong)裂纹(wen)扩展(zhan)路径相近，冲(chong)击(ji)断口微(wei)观(guan)形(xing)貌的(de)韧窝(wo)起到吸收(shou)能量的(de)效果(guo)，韧窝(wo)的深(shen)度与尺(chi)寸能体现(xian)出(chu)合(he)金在受到(dao)冲(chong)击(ji)应(ying)力时(shi)的状态(tai)和组(zu)织(zhi)中(zhong)裂(lie)纹的(de)扩(kuo)展(zhan)性(xing)，同时(shi)体现出合金裂(lie)纹扩(kuo)展路径(jing)的曲(qu)折(zhe)程(cheng)度，当(dang)韧窝(wo)较(jiao)多且(qie)尺(chi)寸较(jiao)大(da)时(shi)，合金(jin)的(de)冲(chong)击吸(xi)收功与(yu)冲(chong)击韧性较(jiao)高(gao)[8］。
3、结(jie)论(lun)
1.棒(bang)材的(de)原始(shi)锻(duan)态(tai)金(jin)相组织(zhi)由粗大β晶粒组(zu)成(cheng)，存在明(ming)显(xian)的晶(jing)界(jie)，在晶界附近(jin)有细(xi)小α相(xiang)存(cun)在(zai)，在(zai)粗大(da)β晶粒内(nei)部(bu)同样(yang)存在细小(xiao)α相，经热(re)处(chu)理(li)后(hou)，组织中出现了由颗(ke)粒(li)状形成的晶界α。
2.经(jing)热处理后，棒(bang)材(cai)的横(heng)向(xiang)与(yu)纵向力(li)学性(xing)能较(jiao)为(wei)接(jie)近(jin)，无明(ming)显各(ge)向异性(xing)。
3.拉伸性能(neng)与冲(chong)击(ji)性(xing)能断口微观形貌(mao)均(jun)以等(deng)轴状(zhuang)韧窝(wo)为主(zhu)，韧(ren)窝(wo)尺寸(cun)较(jiao)大且深度较(jiao)深。
参(can)考(kao)文献：
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