显微组织类型对TC4钛合金丝材性能的影响

王清瑞，沙爱学，黄利军，黄 旭

(中国航发北京航空材料研究院，北京 100095)

钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好和耐高温等优良性能，广泛应用于航空航天、石油化工、舰船等领域[1-3]。随着航空工业的发展，钛合金紧固件的用量越来越大。在同样的强度指标下，相比钢制紧固件，钛合金紧固件减重30%～40%[4，5]。波音747飞机上以钛制紧固件代替钢制紧固件后，其结构重量减轻1814 kg；
美国C-5A飞机采用钛合金螺栓后，减重约1000 kg；
俄罗斯伊尔96飞机上所使用的钛标准件达14.2万件，减重约600 kg。同时，TC4钛合金与Ti-45Nb合金搭配，制成的双金属铆钉已经在空客和波音飞机上获得大量应用[6-8]。钛合金紧固件还具有优异的耐腐蚀性能，其正电位性能与碳纤维复合材料相匹配，能够有效防止紧固件的电偶腐蚀。目前，钛合金紧固件已经成为先进民用飞机和军用飞机必不可少的关键材料[9-14]。

TC4钛合金是国内外应用最为广泛的钛合金，也是航空紧固件使用最为普遍的钛合金。前期研究表明，显微组织参数对TC4钛合金的拉伸性能以及疲劳性能有着显著影响[15-17]。但关于不同类型显微组织对TC4钛合金拉伸、疲劳等综合性能影响的研究尚不透彻，而这些恰好是紧固件制造最为关心的问题。为此，研究了TC4钛合金丝材不同微观组织类型对其力学性能的影响，以期为生产企业合理选择TC4钛合金紧固件的热处理制度提供一定的参考。

实验材料为经过α+β两相区轧制变形的规格为φ20 mm的TC4钛合金丝材，其相变点为992 ℃。按照表1中3种不同工艺对TC4钛合金丝材进行热处理，分别获得等轴、双态、片层3种典型组织。采用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)观察微观组织。采用Instron-4507万能试验机进行拉伸性能测试。采用SEM-SERVO原位疲劳试验机进行疲劳试验，应力比R=0.1。

表1 TC4钛合金丝材的热处理工艺

2.1 微观组织特征

TC4钛合金丝材经相变点以下(820 ℃)热处理获得等轴组织，其TEM照片如图1所示。

图1 TC4钛合金丝材等轴组织的TEM照片

TC4钛合金经过大变形量轧制后，内部组织结构得到充分的变形和破碎，获得的等轴晶粒均匀细小，α晶粒尺寸约为1 μm(图1a)。进一步观察，大部分等轴晶粒内位错聚集，位错密度较高，或排列整齐或交织成网状(图1b)，这些都反映了α相形变的特征。等轴组织内部存在大量亚晶界，α相本身没有发生再结晶(图1c)。TC4钛合金形变加工和热处理过程中，晶粒不断细化，晶界面积不断增加，以致阻碍位错运动的障碍越来越多，位错密度增大，从而起到增加材料强度的效果。

图2为TC4钛合金丝材经固溶时效处理后双态组织的SEM照片,其球状初生α相尺寸约为10 μm。图3为TC4钛合金丝材双态组织的TEM照片。在双态组织中，相邻的球状α相之间依然存在一定数量的亚晶界(图3a)。球状α相内位错密度不高，少量位错排列成位错墙(图3b)。排列整齐的位错墙及低的位错密度表明，α相发生了静态回复和再结晶。片状α相内及α/β相界面上仍有一定数量的位错(图3c)，但是与等轴组织相比，位错密度显著下降。

图2 TC4钛合金丝材双态组织的SEM照片

图3 TC4钛合金丝材双态组织的TEM照片

TC4钛合金丝材在相变点以上(1020 ℃)热处理获得片层组织，其TEM照片如图4所示。在相变点以上经过一定时间的保温，TC4钛合金丝材片层组织的β晶粒不断长大，平均尺寸约为300 μm。在单个β晶粒内可以看到不同方向的α集束(图4b)，α片的厚度平均约为1 μm，不同方向的片状α相内及α/β相界面上仍有一定数量的位错(图4c)，但位错密度较低。

图4 TC4钛合金丝材片层组织的TEM照片

2.2 显微组织类型对力学性能的影响

表2为不同显微组织TC4钛合金丝材的室温拉伸性能。从表2可以看出，等轴组织TC4钛合金丝材的强度最高，这是由于原始等轴组织α晶粒细小且具有较高的位错密度。塑性方面，双态组织最好，片层组织最差，这是因为片层组织原始β晶粒粗大，滑移系少，变形协调能力较弱，导致其塑性较低。

表2 不同显微组织TC4钛合金丝材的拉伸性能

表3为应力比R=0.1时3种显微组织的TC4钛合金丝材的低周疲劳试验结果。其中，σmax为最大加载应力。图5为不同显微组织TC4钛合金丝材疲劳试样在不同循环周次下的裂纹扩展长度。由图5可见，当裂纹尺寸<250 μm时，不同显微组织TC4钛合金丝材对应的裂纹扩展速率有很大差异，片层组织的扩展速率最低，等轴组织最高。但当裂纹长度>250 μm时，3种组织的裂纹扩展速率无显著差异。等轴组织初始位错密度较高，当裂纹遇到等轴α相时直接穿过，α相界存在的少量残余β相对疲劳裂纹扩展的阻碍作用较小，因而疲劳寿命较低。片层组织的疲劳寿命最高，这是由于片层组织能够改变裂纹扩展方向以及产生二次微裂纹分支。裂纹扩展中遇到塑性较好的β相时，扩展路径发生偏转，改为沿α/β相界面进行，从而使得裂纹总长度增加，消耗的能量也相应增加，疲劳寿命增大。片层组织的疲劳寿命与β相的厚度密切相关，只有当β相的厚度足够大时，才能够吸收裂纹尖端塑性变形过程产生的能量从而延缓裂纹扩展速率。对于双态组织，通过增加片状α相的体积分数(通过提高变形温度或在两相区较高温度热处理)可增大裂纹扩展抗力，提高疲劳性能。综合考虑TC4钛合金丝材的力学性能和工艺塑性，应选择双态组织作为产品的最终组织状态。

表3 TC4钛合金丝材的低周疲劳试验结果

图5 TC4钛合金丝材疲劳试样的裂纹长度随循环周次的变化曲线

(1) TC4钛合金丝材经不同工艺热处理后得到的3种不同显微组织中，等轴组织α晶粒最为细小且具有较高的位错密度，表现出较高的拉伸强度；
双态组织中存在不同形态的α相，具有最好的塑性；
片层组织原始β晶粒粗大，塑性最低。

(2) 片层组织TC4钛合金丝材的疲劳性能最好。当疲劳裂纹长度<250 μm时，不同显微组织对应的裂纹扩展速率差异较大，片层组织的扩展速率最低，等轴组织最高。当裂纹长度>250 μm时，3种显微组织的裂纹扩展速率无显著差异。

(3) 综合考虑TC4钛合金丝材的力学性能和工艺塑性，应选择双态组织作为产品的最终组织状态。