包覆叠轧工艺对TC4钛合金板材组织与力学性能的影响

引言

TC4钛合金是一种典型的α+β型合金，该合金集诸多卓越性能于一身，使其在多个领域中展现出广泛的应用价值[1]。在航空发动机行业中[2]，TC4钛合金轻质高强、耐高温和耐疲劳的特性使其成为关键部件的理想选择，极大地提高了发动机的效率和耐用性。在海洋工程中[3]，由于其优异的耐腐蚀性和良好的抗应力腐蚀开裂能力，其被用于制造船舶结构和海底设备，确保了设备在极端海洋环境中的可靠运行。此外，在化工行业[4]，TC4钛合金因其能承受苛刻的化学环境而不被严重腐蚀，保证了设备的长期稳定运行。

当前，TC4钛合金的生产工艺研究主要依赖于传统的锻造和轧制技术，这两种方法在过去的工业生产中发挥了重要作用。然而，随着全球钛行业的迅猛发展，尤其是对轻量化、高强度和高精度要求的现代工业应用，传统的加工工艺已无法满足要求，特别是在生产钛合金薄板方面[5]。包覆叠轧技术作为一种创新的生产方式，其能够在保持材料原有优异性能的同时，实现薄板的高效生产，极大地提升了生产效率和产品质量。包覆叠轧法生产薄板通常包含两个关键步骤：首先，通过连续换向轧制工艺，将初始板坯轧制至约目标尺寸的3倍。换向轧制的作用在于均匀化板材的横向和纵向组织以及力学性能。其次，将2~4片板材叠置在双层钢套内（类似三明治式的结构），然后进一步对叠加板材进行轧制，逐步减小厚度，直到达到所需的成品薄板尺寸。通过将多层TC4钛合金材料进行精确堆叠和连续变形，可以得到厚度更薄、均匀性更好的薄板产品，满足了现代工业对于薄板材料精细化和大批量生产的迫切需求[6]。

因此，本文使用包覆叠轧工艺对TC4钛合金进行轧制，最终制成两种不同厚度的板材，研究包覆叠轧工艺对TC4钛合金板材微观组织形貌、物相构成、晶粒取向以及力学性能的影响，填补并完善现有轧制工艺，为TC4钛合金薄板的工程化应用提供参考。

1、试验材料与方法

本研究以TC4钛合金为研究材料，其化学成分（质量分数，%）为5.9Al、4.3V、0.13O、0.11Fe、余量Ti。采用2450mm多辊轧机，通过包覆叠轧工艺将其分别轧制成厚0.5mm与3.0mm的两种规格钛合金板材。在完成轧制加工后，对板材进行780℃×2h，空冷退火处理。

分别沿两种规格板材的轧制方向（RD）和横向（TD）切割试样，用于微观组织观察与拉伸性能测试。在微观组织分析方面，使用Axio光学显微镜观察板材的微观形貌，并通过ZIESS扫描电镜进行高倍组织形貌以及拉伸断口形貌观察，使用ZIESS扫描电镜自带的背散射电子衍射分析仪进行EBSD测试，并使用Channel5软件对测试结果进行分析。在拉伸性能测试方面，通过INSTRON万能试验机在室温条件下进行轧制方向（RD）和横向（TD）拉伸试验，为确保结果的可靠性，每次测试采集3组数据取平均值。板材微观组织以及拉伸试验的具体取样方向以及拉伸试样尺寸如图1所示。

2、试验结果与讨论

2.1微观组织

图2为两种不同厚度钛合金板材的显微组织特征。发现经过轧制后的板材，其微观组织主要由α相以及未完全消融的残留β相相互交织组成，且α相主要以等轴状为主，同时存在少量细小线条状形貌，而残留β相则分布于不同形貌的α相之间。轧制组织中除晶粒细化效果明显外，还有十分明显的轧制痕迹。这是由于板材在轧制过程中组织内部粗大晶粒发生破碎并发生回复与再结晶，这会使发生破碎的晶粒逐渐转变为形貌为等轴状的α相，而未发生再结晶的晶粒，其形态则是条状形貌特征[7]。

由图2还可发现，0.5mm厚板材RD方向出现明显的带状组织（见图2(a)中位置A），这是由于板材在轧制变形过程中，柱面和基面的滑移主要沿c轴进行，导致晶粒保持原有的排列，而锥面的滑移则伴随着晶粒的倾斜，进而促使局部区域发生旋转或再结晶[8]。在3.0mm厚板材组织中，板材RD方向并未出现十分明显的带状组织，仅有少量的α相晶粒呈拉长形貌。且两种厚度的板材组织中，TD方向的组织中均未发现带状形貌或被拉长α相晶粒出现，二者TD方向均主要是以细小且等轴的α晶粒构成，这是由于在TD方向上，滑移和变形的方式不同于RD方向，导致出现了不同的微观组织形态。

2.2拉伸性能

板材在拉伸过程中，当应力沿着组织的界面扩展时，会遭遇一定阻力，且组织中产生的位错会在α相与β相之间的界面上积累，形成位错塞积。在扩展裂纹尖端作用力以及位错塞积二者共同作用下，会有微小空腔在α/β相界面内形成。当组织中形成一定数量的微孔洞后，众多的微孔洞会以聚合形式逐渐发展，最终导致合金的整体断裂[9]。

图3为不同厚度钛合金板材的拉伸性能。对比发现，经历更大变形量的0.5mm厚板材的TD方向强度更高，抗拉强度（Rm）为1038MPa，屈服强度（0.2）为980MPa。这是因为较大的形变会使组织内部晶体结构经历更大的畸变，储存了大量的应变能。这种应变为再结晶形核提供了更多的位置，使得晶粒变得更加细小[10]。大量的细小晶粒会更加有效地阻碍位错运动，使得位错在晶粒内部更容易被阻塞，形成了密集的位错塞积群。为克服这种位错阻塞，需要施加更大的外部拉力才能使位错重新移动，正是这种位错运动受阻和所需的额外拉应力，使得0.5mm厚板材的强度显著提升[11]。

此外，两种厚度TC4钛合金板材不仅展现出优异的强度，还具备优良的塑性。在板材的微观组织中，其α晶粒主要表现为等轴状，这种晶粒结构具有高度的对称性和协调性，使得各个晶面之间的滑移更为顺畅。等轴α相的特点在于拥有多个有效的滑移系，这使得组织在受到拉应力作用时，这些滑移系可以轻易地启动，从而分散应力的分布，而不是集中在极少数晶粒上，有效地防止了应力集中现象的发生，降低了脆性断裂的风险，从而使板材在具备较高强度的同时，还具有较优异的塑性[12]。3.0mm厚板材RD方向塑性较高，此时板材的断后伸长率（A）为20%，但两种厚度板材的塑性整体差异较小。

2.3各向异性

由图3可知，不同厚度板材的RD与TD方向强度之间均存在一定的差值，其中，0.5mm厚板材的抗拉强度差值为20MPa，3.0mm厚板材的抗拉强度差值为25MPa。由于钛合金中α相为密排六方结构，而β相为体心立方结构，二者具有不同的晶格类型，它们在空间上的排列方式和原子间的相互作用不同。反应在极图上，这些不同的晶格结构对应着不同的对称性，这对合金力学性能会产生显著的影响[13]。

由于钛合金具有密排六方结构，其在轧制变形过程中，0001 为最主要滑移面。故对不同厚度板材在RD与TD方向 0001 的极图进行分析，如图4所示。发现0.5mm厚板材的RD方向没有明显的取向集中现象，即织构并不明显，而在TD方向的极图中，发现其存在十分明显的取向集中，其最大极密度值为8.63，此时极图为明显的混合型织构，即存在B型与T型的混合织构。

除微观组织以及极图外，对不同厚度TC4钛合金板材各向异性进行进一步分析。在钛合金塑性变形的过程中，其基面滑移是钛合金变形过程中最为主要的塑性变形机制，该滑移系的活动程度主要受到Schmid因子的影响[14]。而Schmid因子是晶体塑性理论中的一个重要参数，用于描述晶粒取向与施加应力方向之间的关系，其大小会直接影响拉伸过程中滑移系的启动能力。对于钛合金而言，当合金表现出的拉伸强度较低时，其Schmid因子较大。这是因为合金在受拉伸应力时，较大的Schmid因子意味着相关的滑移系更容易启动，合金更容易发生塑性变形，即此时合金的强度较低。而较小的Schmid因子则会导致其相关的滑移系难以进行启动，合金若要发生塑性变形则需要在拉伸过程中施加更高的外力，故此时合金的强度开始增加[15]。这种差异主要是由于不同晶粒取向造成的，因为不同晶粒的Schmid因子不同，导致其内部滑移系的启动能力有所不同。故对两种厚度TC4钛合金板材的基面滑移系 0001<1120>进行Schmid因子计算，从而进一步分析板材产生各向异性的深层次原因，结果如图5所示。

由图5可见，两种厚度板材的基面滑移系Schmid因子的波动范围主要在0~0.5之间。在这个范围内，板材不同拉伸方向所对应的Schmid因子分布呈现出明显的差异。两种厚度板材均是RD方向的Schmid因子在0.4~0.5范围内的比例最高。这意味着在RD方向上容易发生滑移，从而导致材料的拉伸强度较低。综上分析，由于RD方向基面滑移系上的Schmid因子分布都集中在较高的值域，导致板材在特定方向上容易发生滑移，从而降低了材料的拉伸强度，即Schmid因子增大是板材RD方向拉伸强度较低的另一个重要原因。

2.4拉伸断口形貌

图6揭示了两种厚度TC4钛合金板材经拉伸试验后，其断口所展现的微观断裂形貌特征。发现两种厚度板材的断口形貌的微观层面上呈现出几乎相同的特点，其主要的韧窝特征表现为等轴状韧窝形貌（见图6(a)中位置B）。韧窝是合金断裂过程中的形成的微观结构特征，其含量和形貌对合金的塑性有着显著的影响。当拉伸断口的韧窝数量较多且深度较深时，这意味着板材在断裂过程中经历了较大的塑性变形，这种变形能够吸收和分散能量，显示出合金在承受外力作用时的良好延展性和吸收应力的能力。

由图6还可发现，两种厚度板材在拉伸过程中都展现出了较好的塑性，即板材在受到拉伸时，能够有效地吸收和分散能量，因此其塑性良好[16]。与图2所呈现结果相一致。除等轴状韧窝外，在板材TD方向的拉伸断口中还观察到部分空洞的出现（见图6(d)中位置C）。这是因为裂纹在扩展过程中，当其尖端遇到α晶粒时，由于晶界的阻挡作用和晶粒间应力的不均匀分布，容易在裂纹尖端引发严重的应力集中现象。这些应力集中点会抑制裂纹的直线扩展，导致裂纹产生绕弯和偏转的现象，裂纹在继续前行的过程中，会沿着晶界的交汇点进行移动，这种反复穿梭的过程造成了空洞的形成[17]。故空洞的出现反映了板材内部位错的累积和分布，它们在裂纹扩展时起到了阻碍作用，从而导致板材在TD方向的强度较高。

3、结论

1）包覆叠轧TC4钛合金板材的微观组织主要由α相以及未完全消融的残留β相相互交织组成，α相的形态呈现出多样性，残留β相则分布于不同形貌的α相之间。轧制变形量大的0.5mm厚板材的RD方向出现明显的带状组织，而3.0mm厚板材组织中仅有少量的α相晶粒出现拉长形貌。

2）包覆叠轧变形量较大时，TC4钛合金板材TD方向强度较高，而变形量较小板材RD方向塑性较高，但两种厚度板材的塑性整体差异化较小。0.5mm厚板材TD方向抗拉强度为1038MPa，屈服强度为980MPa；3.0mm厚板材RD方向断后伸长率为20%。

3）包覆叠轧板材的RD与TD方向强度之间均存在一定的差值，产生各向异性的原因是不同拉伸方向的组织中存在织构差异导致，即TD方向的强度较高是因为该方向的组织中存在明显的B型与T型的混合织构，且RD方向基面滑移系上的Schmid因子分布都集中在较高的值域，导致该方向上容易发生滑移，从而降低了材料的拉伸强度。

4）包覆叠轧两种厚度板材的断口形貌几乎相同，其主要特征均为等轴状韧窝形貌，除等轴状韧窝，发现在板材TD方向的还有部分空洞出现，从而导致板材在TD方向的强度较高。

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