文章编号：1004-0609(2013)S1-s0105-06

细晶TC4丝材的退火组织与性能

毛江虹，曹继敏，杨华斌

(西北有色金属研究院 西安赛特金属材料开发有限公司，西安 710021)

摘  要：钛合金TC4丝材经多道次拉拔后，可得到细晶组织，具有良好的综合性能。研究了700~900 ℃区间退火的直径为2.6 mm TC4丝材的组织与性能。研究结果表明：TC4合金丝材晶粒粒径为1~5 μm，细晶强化作用使TC4合金丝材经700 ℃退火后具有最高的强度和较好的塑性。随着退火温度的升高，丝材的硬度和强度逐渐降低。达到900 ℃时，由于二次α相的析出，硬度和强度有所回升。材料的塑性先升后降，在750~800℃温度区间退火可以达到最优的综合性能。

关键词：TC4丝材；细晶；退火；显微组织；力学性能；强化机理

中图分类号：TG 115.28-5　　     文献标志码：A

Annealing microstructure and properties of fine-grained TC4 wire

MAO Jiang-hong, CAO Ji-min, YANG Hua-bin

(Xi’an Saite Metal Materials Development Co., Ltd., Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710021, China)

Abstract: The microstructure of Ti-6A1-4V (TC4) titanium alloy wire is fined and optimal performance can be obtained by drawing. Annealed in the temperature range from 700 ℃ to 900 ℃, the microstructure and properties of TC4 wire of 2.6 mm were investigated. The results show that the grain size is about 1 to 5 μm. At 700 ℃, TC4 wire is provided with the highest strength and good plasticity strengthened by the fine-grain. As the annealing temperature increases, the hardness and strength of the wire are gradually reduced. The hardness and strength of the TC4 wire are rebounded with the secondary alpha phase precipitation at 900 ℃. The plasticity of the material first increases and then decreases. In the annealing temperature range from 750 ℃ to 800 ℃, the TC4 wire can achieve optimal performance.

Key words: TC4 wire; fine grain; annealing; microstructure; mechanical properties; strengthening mechanism

随着钛加工工艺的稳定成熟，产业规模不断扩大，钛材品质提高的同时，成本有所下降。钛材比强度高、耐腐蚀、生物相容性好等特点符合电器、仪表等小型化、智能化、环保等多方面的需求，日益成为电子装置用金属材料的高端选择。

Ti-6Al-4V合金属于中等强度，典型的马氏体α+β型两相钛合金^[1]。该合金主要在退火状态下使用，目的是为了得到稳定、强度塑性良好配合的α+β组织。在退火状态下，合金中含有约7%的β相，属于等轴组织，具有良好的可加工性。王金友等^[1-4]研究了TC4合金不同热处理制度下的组织转变及力学性能，为该合金的研究提供了重要的理论基础和数据参数。目前，晶粒细化是TC4合金研究的一个主要方向。PATANKAR等^[5]研究了具有细晶组织的TC4合金板材的超塑性行为，马铁军等^[6]指出焊缝超细晶组织具有高断裂应力，使得TC4合金线性摩擦焊接头具有优良的冲击韧性。经过多道次拉拔的TC4合金丝材也可以获得细晶组织，但关于细晶丝材的TC4合金退火组织与性能较少报道。本文作者选用直径为2.6 mm的丝材作为研究对象，观察和测试不同温度退火的显微组织与性能， 讨论合金的细晶强化作用及组织与性能的内在关系。

1  实验

1.1  TC4合金丝材的制备

实验所用TC4钛合金采用真空自耗电弧炉二次熔炼，合金的β转变温度为990 ℃。对铸锭扒皮、切冒口、取样分析化学成分后，置于1 000~1 100 ℃温度区间开坯锻造，850~950 ℃的α+β两相温区锻造及轧制成直径为8 mm的棒材。轧条经过扒皮、表面氧化处理后，在d 1 500 mm的拉丝机上于550~750 ℃温区进行多道次拉拔至直径为 2.6 mm的丝材。

1.2  热处理制度及试验方法

对直径为2.6 mm的TC4丝材进行退火处理，退火制度为：650、700、750、800、850、900 ℃，分别保温30 mim后空冷。从退火态丝材分别取样，在Instron-1196拉伸试验机上进行力学拉伸，测试夹头位移速率为1 mm/min。用OLYMPUS MPG3金相显微镜和JSM-6460型扫描电镜(SEM)对合金进行显微组织观察。

2  结果与讨论

2.1  退火态TC4丝材的显微组织

TC4合金d 8 mm轧条与d 2.6 mm丝材的金相组织如图1所示，均为α+β两相组织。图1(a)所示为经两相温区锻造、轧制大变形量塑性变形得到的d 8 mm轧条的退火组织，可以观察到α相已没有完整的晶界，残留的β相呈弯曲、断续的线条分布。图1(b)所示为多道次拉拔后d 2.6 mm丝材的金相组织，残留的β相呈弥散的点状分布于α相基体上。两者的区别主要在于残留β相的形貌发生了明显的变化：由较长的线条状转变为细小的点状分布。表明轧条组织在后续的拉拔过程中被进一步破碎、细化，呈点状分布的残留的β+α两相组织成为TC4合金丝材的特有显微组织。

图1  TC4 d 8 mm轧条与d 2.6 mm丝材的显微组织

Fig. 1  Optical microstructure of TC4 d 8 mm bar and d 2.6 mm wire

图2所示为TC4钛合金d 2.6 mm丝材在不同温度退火处理的SEM照片。图2(a)所示为退火前的SEM照片，属于变形组织，残留β相细小，大小为1 μm左右的变形的细线条。从图2(b)~(f)可以看出TC4钛合金丝材随着退火温度的变化而发生的组织与相的转变：TC4在较低温度700~800 ℃下退火时(见图2(b)~(d))，其显微组织是由α相和β相组成的细小等轴组织。与退火前的组织相比，晶粒发生了回复与再结晶，随温度的升高晶粒长大不明显。在850 ℃退火时，邻近的β相聚集长大，β相的含量明显增加。α相也长大，并趋于等轴化(图2(e))。随着退火温度的进一步升高到900 ℃，β相进一步长大，并在其内部析出二次α相(图1(f))，α相出现较完整晶界，β相的含量可达30%以上，同时也表明该温度已处于TC4钛合金的β相转变温度以下的较高温度。

从图2中可以看出：晶粒尺寸很小，基本在1~5 μm之间，尤其在700~800 ℃退火时，残留的β相的粒径在1~3 μm之间。对应图1(a)中TC4合金d 8 mm轧条晶粒的粒径为10 μm左右。表明TC4合金丝材的显微组织经拉拔变形后非常细小，呈点状分布的残留的β+α两相晶粒粒径在1~3 μm之间。

2.2  退火态TC4丝材的力学性能

700~900 ℃退火后TC4钛合金丝材室温力学性能的变化趋势见图3。

图2  700~900 ℃退火后TC4 d 2.6 mm丝材的SEM照片

Fig. 2  SEM images of annealed TC4 d 2.6 mm wire at 700-900 ℃

图3  700~900 ℃退火后TC4丝材的力学性能

Fig. 3  Mechanical properties of TC4 wire annealed at 700-900 ℃

由图3可以看出：TC4钛合金丝材在700~900 ℃的退火温度范围内，随着退火温度的升高，呈现强度指标呈先降后升，塑性指标先升后降的趋势。抗拉强度σ_b的变化相对平稳，经750 ℃退火后合金的强度比700 ℃的强度明显降低，但在750~850 ℃退火温度之间变化不大，900 ℃退火后强度略有上升。屈服强度σ_0.2逐渐降低，在850 ℃附近出现了的最低强度，其值约780 MPa。

900 ℃退火强度有较大上升。另外，塑性指标700~800 ℃退火温度之间呈上升趋势，800~900 ℃退火呈下降趋势。断面收缩率φ在800 ℃退火时达45%。伸长率δ随退火温度的提高逐渐增大后趋于平稳。由图3可以得出：当退火温度为750~800 ℃时，TC4钛合金丝材综合力学性能较好。

700~900 ℃退火后TC4钛合金丝材硬度的变化趋势见图4。

图4  700~900 ℃退火后TC4丝材的硬度

Fig. 4  Hardness of TC4 wire annealed at 700-900 ℃

由图4可以看出：TC4钛合金丝材在700~900 ℃的退火温度范围内，随着退火温度的升高，硬度指标呈现先降后升的趋势。在850 ℃附近出现了的最低硬度，其值约HV 272。随后在900 ℃退火后硬度略有上升。

2.3  拉拔变形对TC4合金晶粒的细化

钛合金晶粒细化可以通过热处理、热加工、添加元素等方法实现。黄辉^[7]采用高温形变热处理细化TC4钛合金组织。ZENG等^[8]根据晶体理论分析了Ti-6Al-4V丝材内部纤维织构及固溶时效处理过程中合金内部α、α′、α″与β的转变，采用挤压加工方法细化合金组织，达到强化效果。OBASI等^[9]采用原位中子衍射方法分析了含有0.4%钇的Ti-6Al-4V合金的相转变，指出在β相转变温度以上，添加元素钇限制了β相的增大，在α+β两相区温度观察，钇具有细化组织的作用。对于a+β型两相钛合金，细化晶粒的关键在于抑制β相的增长，同时限制或减小了初生α相及分解析出α相的尺寸，达到弥散、细小、均匀分布的α+β两相组织。

Ti-6Al-4V合金属于Ti-Al-V系典型的马氏体α+β型两相钛合金，在退火状态下，合金中含有约7%的β相。从晶体结构分析，α-Ti为密排六方点阵，β-Ti为体心立方点阵。多晶体的塑性变形特点主要是各晶粒变形的不同时性及相互协调性，密排六方的滑移系较少，很难使晶粒的变形彼此协调，导致塑性差，冷加工困难。钛合金TC4丝材拉拔工艺中，加工温度处于材料的再结晶温度附近。在550~750 ℃温区进行多道次拉拔至d 2.6 mm的丝材。丝材的拉拔过程中发生短暂的晶粒动态回复，一般不发生晶粒的再结晶与长大。此过程有效限制了β相的增长，多次拉拔塑性变形的结果，得到α+β两相细晶组织，线条状的β相在应力的作用下断裂、破碎成细小的点状分布。采用辊模拉伸生产的TC4丝材，同样得到了均匀细小的内部组织，退火处理后具有较高的抗拉强度和塑性^[10]。

2.4  TC4合金丝材的细晶强化作用

钛合金的强化机理包括位错强化、细晶强化、固溶强化和两相颗粒强化(沉淀或弥散强化)。Ti-6Al-4V合金属于中等强度的α+β型两相钛合金，只含有4%的β稳定元素V，β稳定系数为0.27。因此，TC4合金固溶强化、两相颗粒强化的空间较小，退火态使用时主要强化方式为位错强化与细晶强化，且两者相互影响，共同发生作用。

分析多晶体的塑性变形过程可知：一方面晶界的存在，使变形晶粒中的位错在晶界处受阻，每一晶粒中的滑移带也都终止在晶界附近；另一方面，晶粒间存在位向差，为了协调变形，每个晶粒必须进行多滑移，而且多滑移时必然要发生位错的相互交割。这两者均大大提高了金属材料的强度。

观察TC4合金丝材的退火组织，在α相基体上弥散分布着β相，晶粒非常细小，粒径在1~3 μm之间。晶粒的细化，使晶界总面积增大，需要协调的具有不同位向的晶粒增多，其塑性变形的抗力便增大，表现为强度增高。同时在外力作用下，有利于滑移和能参与滑移的晶粒数目也越多，不会造成局部的应力集中，推迟了裂纹的产生，表现为塑性的提高。TC4合金丝材在700 ℃退火时获得了良好的塑性，合金的强度最高。这是细晶强化和位错强化的共同结果。TC4合金中在α相和β相边界都发现有位错，但由于α相与β相的晶体结构不同，位错塞集发生在α/β相交界多于α/α相界面^[11]。在细晶状态下，位错塞集出现的几率会更大，分布更广，更均匀，使合金获得了强韧化的效果，或者在特殊工艺条件下，出现超塑性的现象^[12]。

2.5  合金显微组织及相变对力学性能的影响

TC4合金属于马氏体型α+β型钛合金，由于含有较少的β稳定元素，退火态β相的数量较少。这类合金的共同点是在退火状态下强度与塑性有良好配合。退火态合金力学性能的变化性质，可以用合金的显微组织与退火温度的关系来解释。

TC4合金在拉拔变形过程中消耗的功，只有小部分(占3%~12%)能量以弹性应变和增加金属中晶体缺陷(空位和位错等)的形式储存起来。由于储存能的存在，使TC4合金丝材的自由能升高，处于热力学不稳定状态。退火处理使TC4合金内部的组织结构发生变化，提高材料的热力学稳定性。退火过程经历回复、再结晶及晶粒长大3个阶段。TC4合金丝材在700 ℃退火时，拉拔变形后的组织开始回复，晶粒非常细小，约1 μm。细晶强化的作用明显，获得良好塑性的同时，合金的强度达到退火态的最高值。750~800 ℃退火时，合金属于再结晶退火，组织趋于等轴化，晶粒长大不明显，约2 μm。此时合金的强度下降，塑性指标上升，达到最优的综合性能。此过程中合金的硬度也持续降低。TC4合金中β相的晶粒长大动力学研究表明：合金原始组织结构的不同在很大程度上影响最终的β晶粒尺寸的差异^[13]。在上述TC4合金丝材回复再结晶退火过程中，晶粒尺寸受原始加工态的影响没有发生加大变化。

800 ℃附近是退火热处理的临界温度，温度升高至850 ℃退火时，晶粒发生聚集长大，约5 μm。使合金能够在较低应力下就进行塑性变形。此时合金的强度继续下降，塑性指标开始降低。达到900 ℃时，由于二次α相的析出，二次α相的形貌为板条状^[14]，使合金的硬度和强度有所回升，却降低了塑性。

不同退火温度TC4合金β相的尺寸及体积含量的变化情况如图5所示。随退火温度的升高，β相的尺寸逐渐增大。是TC4合金发生回复再结晶及晶粒聚集长大的结果。β相含量在合金中的体积含量逐渐增多，α相含量相对减少，900 ℃时β相含量约30%。TC4合金的热处理制度中，当温度处于900 ℃以上时，β相的转变及体积含量的变化对TC4合金的性能有显著的影响^[15-16]。较大体积含量的β相存在，并在冷却过程中其大尺寸晶粒内部析出二次α相，使得TC4合金的强度、硬度升高，塑性下降。

图5  700~900 ℃退火后TC4合金β相的尺寸及体积含量

Fig. 5  Dimension and volume content of β phase in TC4 alloy annealed at 700-900 ℃

3  结论

1) TC4合金丝材经多道次拉拔后，可得到细晶组织，晶粒粒径为1~5 μm。

2) 细晶强化作用使得TC4合金丝材在700 ℃退火时具有最高的强度和较好的塑性。

3) 随着退火温度的升高，丝材的硬度和强度逐渐降低。达到900 ℃时，由于二次α相的析出，硬度和强度有所回升。材料的塑性先升后降，在750~800 ℃温度区间退火可以达到最优的综合性能。

REFERENCES

[1] 王金友, 葛志明, 周彦邦. 航空用钛合金[M]. 上海: 上海科学技术出版社, 1985: 91.

WANG Jin-you, GE Zhi-ming, ZHOU Yan-bang. Aviation titanium[M]. Shanghai: Shanghai Science and Technology Press, 1985: 91.

[2] 周 伟, 曲恒磊, 赵永庆, 李 辉, 冯 亮, 陈 军, 郭红超, 朱知寿. 热处理对TC4合金组织与性能的影响[J]. 热加工工艺, 2005(8): 26-27.

ZHOU Wei, QU Heng-lei, ZHAO Yong-qing, LI Hui, FENG Liang, CHEN Jun, GUO Hong-chao, ZHU Zhi-shou. Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of TC4 alloy[J]. Hot Working Technology, 2005(8): 26-27.

[3] 包春林, 马栓柱, 杨海涛, 梅新民, 姚 谦. 热处理温度对等轴初晶TC4钛合金组织与性能的影响[J]. 铸造, 2012, 61(8): 922-924.

BAO Chun-lin, MA Shuan-zhu, YANG Hai-tao, MEI Xin-min, YAO Qian. Effects of heat treatment temperature on microstructure and properties of TC4 titannium alloy with equiaxed primary microstructure[J]. Foundry, 2012, 61(8): 922-924.

[4] ELMER J W, PALMER T A, BABU S S, SPECHT E D. In situ observations of lattice expansion and transformation rates of α and β phases in Ti-6Al-4V[J]. Materials Science and Engineering A, 2005, 391: 104-113.

[5] PATANKAR S N, ESCOBEDO J P, FIELD D P, SALISHCHEV G, GALEYEV R M, VALIAKHMETOV O R, FROES F H. Superior superplastic behavior in fine-grained Ti-6Al-4V sheet[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2002, 345: 221-227.

[6] 马铁军, 张学军, 杨思乾, 张　勇, 张云霞. TC4钛合金线性摩擦焊接头的冲击韧性及断口特征[J]. 航空材料学报, 2007, 27(6): 40-44.

MA Tie-jun, ZHANG Xue-jun, YANG Si-qian, ZHANG Yong, ZHANG Yun-xia. Impact toughness and fracture characteristics of linear friction welded TC4 joint[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2007, 27(6): 40-44.

[7] 黄 辉. 高温形变热处理对TC4钛合金组织与性能的影响[J]. 光学精密工程, 1996, 4(4): 48-52.

HUANG Hui. Effect of high temperature thermomechanical treatment (HTTMT) on the structures and properties of TC4 alloy[J]. Optics and Precision Engineering, 1996, 4(4): 48-52.

[8] ZENG L, BIELER T R. Effects of working, heat treatment, and aging on microstructural evolution and crystallographic texture of α, α′, α″ and β phases in Ti-6Al-4V wire[J]. Materials Science and Engineering A, 2005, 392: 403-414.

[9] OBASI G C, MOAT R J, LEO PRAKASH D G, KOCKELMANN W, da FONSECA J Q, PREUSS M. In situ neutron diffraction study of texture evolution and variant selection during the α→β→α phase transformation in Ti-6Al-4V[J]. Acta Materialia, 2012, 60: 7169-7182.

[10] 范 珂, 陶海林, 周书成, 王建斌, 王 田. 辊模拉伸Ti6A14V钛合金丝材的力学性能分析[J]. 中国有色金属学报, 2010, 20(S1): s28-s31.

FAN Ke, TAO Hai-lin, ZHOU Shu-cheng, WANG Jian-bin, WANG Tian. Analysis of mechanical properties of Ti6AI4V wire produced by rol-die drawing[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010, 20(S1): s28-s31.

[11] KIM J S, KIM J H, LEE Y T, PARK C G, LEE C S. Microstructural analysis on boundary sliding and its accommodation mode during superplastic deformation of Ti-6Al-4V alloy[J]. Materials Science and Engineering A, 1999, 263: 272-280.

[12] 王 敏, 郭鸿镇. TC4钛合金晶粒细化及超塑性研究[J]. 塑性工程学报, 2008, 15(4): 155-158.

WANG Min, GUO Hong-zhen. Study on superplasticity and fine-grained of TC4 alloy[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2008, 15(4): 155-158.

[13] IVASISHIN O M, SEMIATIN S L, MARKOVSKY P E, SHEVCHENKO S V, ULSHIN S V. Grain growth and texture evolution in Ti-6Al-4V during beta annealing under continuous heating conditions[J]. Materials Science and Engineering A, 2002, 337: 88-96.

[14] 张志强, 董利民, 关少轩, 刘羽寅, 杨 锐. 大规格TC4 钛合金丝材直径对固溶时效显微组织和力学性能的影响[J]. 中国有色金属学报, 2010, 20(S1): s674-s677.

ZHANG Zhi-qiang, DONG Li-min, GUAN Shao-xuan, LIU Yu-yin, YANG Rui. Effects of diameter on microstructure and mechanical properties of large-size TC4 titanium alloy wires in solution treated and aged condition[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010, 20(S1): s674-s677.

[15] MAJORELL A, SRIVATSA S, PICU R C. Mechanical behavior of Ti-6Al-4V at high and moderate temperatures—Part Ⅰ: Experimental results[J]. Materials Science and Engineering A, 2002, 326: 297-305.

[16] FILIP R, KUBIAK K, ZIAJA W, SIENIAWSKI J. The effect of microstructure on the mechanical properties of two-phase titanium alloys[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2003, 133: 84-89.

(编辑  何运斌)

基金项目：国家科技型中小企业技术创新基金资助项目(12C26216106817)

收稿日期：2013-07-28；修订日期：2013-10-10

通信作者：毛江虹，高级工程师，学士；电话：029-86536800；E-mail: mjh2323@126.com