钛合金具有密度小、比强度高、耐蚀性好、无磁性等优异的性能，作为一种重要的结构材料在航空、航天、化工、舰船、汽车、兵器、体育、医疗等领域得到了广泛应用。然而，钛合金较高的成本限制了其应用范围。因此，低成本钛合金的研发以及钛合金的低成本化制备技术仍然是当前最重要的研究热点[1-4]。降低原料成本、缩短加工流程是降低钛合金成本的有效途径。在钛合金生产中会产生大量的返回料，其成本只有海绵钛成本的三分之一。利用电子束冷床炉代替传统的真空自耗电弧熔炼，可添加50％以上的返回料，能显著降低原料成本。此外，电子束冷床熔炼可生产扁锭，扁锭可直接进行轧制，省去了圆锭开坯、锻造等工序，最大限度缩短生产流程，降低消耗，节约成本[5]。电子束冷床炉单次熔炼Ti-6Al-4V钛合金(国内牌号TC4)铸锭直接轧制的板材有望在航空、兵器等领域获 得应用[6]。美国率先针对电子束冷床炉单次熔炼技术开展研究，利用Ti-6Al-4V钛合金铸锭轧制了76.2mm、50.8mm、25.4mm和12.7mm的板材。经测试，板材的拉伸性能均超过航空标准的最低要求，有望在战斗机机翼折起支座及翼肋上获得应用[7]。针对电子束冷床炉熔炼铸锭制备的板材，美国于2010年制定了相应的板材标准AMS6945A{Titanium Alloy,Single Melt，Sheet，Strip，and Plate 6Al_4VAnnealed))，并在2014年进行了修订。在国内，宝钛集团利用从德国ALD公司引进的2400 kw电子束冷床炉单次熔炼TC4钛合金扁锭，直接轧制成8mm厚板材[8-9]，板材室温力学性能及抗弹性能满足国标及使用要求，已获得应用。

本文研究电子束冷床熔炼炉(Electron Beam Cold Hearth Melting,EBCHM)熔炼TC4钛合金扁锭直接轧制板材在变形及退火过程中的显微组织和力学性能，力图揭示板材显微组织的演化规律及其室 温力学性能的变化规律，得到板材强度与塑性最佳匹配的退火工艺，旨在为该合金板材的低成本工业化批量生产提供参考。

1、试验材料与方法

利用海绵钛、钛合金返回料等原料在电子束冷床炉上熔炼出270mm×1085mm×5000mm规格TC4钛合金扁锭，其化学成分符合GB/T 3620.1—2007《钛及钛合金牌号和化学成分》标准要求，金 相法测得其β转变温度为974℃。铸锭经机加工处理后，在1200mm四辊可逆式热轧机上在相变点以下20~50℃采用交叉换向工艺多火次轧制成8mm厚板材，按(720～950)℃×1h空冷工艺进行 退火。对铸锭至板材变形过程中以及退火后板材的显微组织和室温力学性能进行分析测试，并优选出显微组织和力学性能匹配最佳的热处理工艺。室温力学性能测试按照GB／T 228-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》标准在CMT 5105电子万能试验机上进行，金相观察分析在Axiovert 200MAT金相显微镜下进行。

2、试验结果与分析

2.1 变形过程中板材的组织与性能

图1为经不同火次变形后TC4钛合金板材的显微组织照片。由图1(a)可见电子束冷床炉熔炼的TC4钛合金扁锭晶粒粗大，晶内为树枝晶组织。经一火变形后，铸态的树枝晶组织被破碎，形成柱状组织，见图1(b)。经两火变形后，粗大的晶粒破碎为细小晶粒，柱状组织转变为等轴或长条状组织，并且沿轧制方向被压扁或拉长，见图1(c)。魏寿庸等人[10]在Ti-6Al-2Zr-2V-1.5Mo钛合金板材变形过程中也发现有类似现象。经三火变形后获得成品板材，晶粒进一步细化，长条状组织更多转变为等轴状α+β转变组织，见图1(d)。变形过程中晶粒的细化和组织的演变与其室温力学性能的高低密切相关。

表1所示为经不同火次变形后板材的室温力学性能。由表1中数据可见，经过轧制变形后，板材的室温拉伸强度和塑性均呈增大趋势。与TC4钛合金铸锭的力学性能相比，不同火次轧制变形后板材的强度和塑性得到明显的提高。这是因为组织决定性能，细小的等轴组织可以获得较高的强度和塑性。金属变形时的强度和塑性与位错滑移长度有关，位错滑移长度越短，强度和塑性越高。等轴组织的位 错滑移长度是由等轴组织中初生α相的含量决定的，等轴α相越多，晶粒越细小，位错滑移长度越短，产生的位错塞积越少，具有更好的强度和塑性。在轧制变形过程中，变形充分能使更多的滑移系的位错源启动，产生相应的滑移，也有利于初生α相的球化；此外，变形程度越大，因受流动应力被破碎的棒状α数量越多，可为再结晶提供更多的形核机会。表l中板材的室温力学性能的变化规律与图1 中显微组织的演化规律相吻合。

2.2退火处理后板材的组织与性能

图2为板材经(720～950)℃×1h+AC退火后的显微组织。从图2中可以看出，当退火温度较低时(720～820℃)，显微组织无明显变化，以长条状或等轴状α+β转变组织为主，晶粒尺寸大小和形态十分相似，见图2(a)～(d)。文献[10-11]也发现低温退火时的组织与轧制态组织相似。退火温度升高到820℃以上，板材的显微组织较低温时发生了明显变化，表现为等轴初生α相含量开始逐渐减少、尺寸逐渐增大，晶粒向等轴化转变，而β转变组织的含量逐渐增多(见图2(e)、(f))，并且有片状次生α相从β转变组织中析出(见图2(f)、(g))。

钛合金在热处理时显微组织的变化将导致其室温力学性能的变化[12-15]。图3所示为经(720～950)℃×1 h+AC退火处理后板材的室温力学性能，不同温度退火后板材的室温力学性能均满足GB/T3621-2007《钛及钛合金板材》标准要求(R_m≥2895 MPa，R_p0.2≥830 MPa，A>≥10％)。由图3可以看出，随着退火温度从720℃升高到950℃，板材的室温抗拉强度尺。呈现先增大后逐渐减小的趋势，在820℃达到最大值，规定塑性延伸强度尺R_p0.2和断面收缩率Z总体上呈现下降的趋势，而伸长率彳则变化不大。这是由于在室温下合金的抗拉强度随着等轴组织的变化而变化，合金中等轴组织含量高，其抗拉强度也高[16]；当退火温度逐渐升高至820℃时，合金中等轴α相的含量最多，因此其抗拉强度达到最大值；随着退火温度的继续升高，合金中等轴α相的含量逐渐减少，其抗拉强度逐渐下降。虽然随着退火温度的升高，合金中析出片状次生α相，抗拉强度会增大，但由于温度较高，合金中等轴α相的含量减少比较明显，且晶粒进一步粗化(见图2(g))，使合金的抗拉强度明显降低。

由图3还可看出，经(750"--820)℃×l h+AC退火处理后，虽然板材的规定塑性延伸强度R_p0.2和断面收缩率Z略有下降，但变化幅度不大。综合考虑，在该温度范围内退火处理的TC4钛合金板材可获得强度与塑性的最佳匹配，在工业化批量生产时推荐采用该热处理工艺。

3、结论

(1)随着轧制变形火次的增加，电子束冷床炉熔炼的TC4钛合金扁锭粗大的铸态晶粒被破碎，枝晶组织转变为等轴或长条状α+β转变组织，板材的室温力学性能显著提高。

(2)TC4钛合金板材退火后，组织更加均匀等轴化，随着温度的升高，析出片状次生α相，初生α含量减少；板材的抗拉强度呈现先增大后减小的趋势，规定塑性延伸强度和断面收缩率总体呈现 下降趋势，而伸长率则变化不大。

(3)经(750～820)℃xl h+AC退火处理后，TC4钛合金板材可获得强度与塑性的最佳匹配。

参考文献：

[1]郭瑞萍，孙葆森，高彬彬．兵器装备用钛合金的低成本制造技术[J]．兵器材料科学与工程，2008，31(5)：83—86．

Guo Ruiping，Sun Baosen，Gao Bingbing．Low cost manufacturing technology of titanium alloy used in ordnance equipment[J]．Ordnance Material Science and Engineering，2008，31(5)：83—86．

[2]高娃，张存信．低成本钛合金制备技术及其军事应用[J]．钛工业进展，2008，25(3)：6．10．

Gao Wa，Zhang Cunxin．Process of the low-cost titanium alloys and its military application[J]．Titanium Industry Progress，2008，25(3)：6-10．

[3]张文毓．高性能低成本钛合金研究进展[J]．航空制造技术，2011(5)：74-76，79．

Zhang Wenyu．Research progress of high-performance and low cost titanium alloy[J]．Aeronautical Manufacturing Technology,201 1(5)：74-76，79．

[4]朱知寿，商国强，王新南，等．低成本高性能钛合金研究进展[J1．钛工业进展，2012，29(6)：1-5．

Zhu Zhishou，Shang Guoqiang，Wang Xinnan，et a1．Research and development of low cost and high performance titanium alloys[J]．Titanium Industry Progress，2012，29(6)：1-5．

[5]陈峰，陈丽，国斌，等．电子束冷床熔炼的优与劣[J]．中国有色金属学报，2010，20(s1)：873．876．

Chen Feng，Chen Li，Guo Bin，et a1．Advantages and disadvantages of electron beam cold hearth melting[J]．The Chinese Journal ofNonferrous Metals，2010，20(s1)：873-876．

[6]于兰兰，毛小南，张英明，等．电子束冷床炉单次熔炼钛合金铸锭研究进展[J]．钛工业进展，2009，26(2)：14—18．

Yu Lanlan，Mao Xiaonan，Zhang Yingming，et a1．Development of electron-beam cold hearth singlemelt process for titanium alloy ingots[J]．Titanium Industry Progress，2009，26(2)：14-1 8．

[7]Wood J R，Fanning J C．Direct production of Ti-6Al-4V alloy plate from electron beam cold hearth melted slab ingot[C]//Liitjering G Albrecht J．Ti-2003 Science and Technology,Proceedings of the 10th World Conference on Titanium，Volume I，WILEY-VCH Verlag GmbH&Co．KGaA，Weinheim，2003：181．188．

[8]冯秋元，庞洪，乔璐，等．低成本TC4钛合金板材研制[J]．中国有色金属学报，2013，23(s 1)：353．357．

Feng Qiuyuan，Pang Hong，Qiao Lu，et a1．Preparation of low-cost TC4 titanium alloy sheet[J]．The Chinese Journal ofNonferrous Metals，2013，23(s1)：353-357．

[9]佟学文，惠松骁，乔璐，等．一种高动态承载性能、低成本钛合金的制备方法：中国，CN 104451213 A[P]．2015-03-25．

[10]魏寿庸，郭志军，王永强，等，Ti-6Al-2Zr-2V-1.5Mo合金厚板的组织性能[J]．中国钛业，2012(1)：15—17．

Wei Shouyong，Guo Zhijun，Wang Yongqiang，et a1．Microstructure and properties of Ti-6A1-2Zr-2V-1.5Mo alloy plate[J]．China Titanium Industry,2012(1)：15-17．

[11]王蕊宁，杨建朝，吕利强，等．不同热处理工艺对工业TC4合金板材组织和性能的影响[J]．钛工业进展，2010，27(6)：27-29．

Wang Ruining，Yang Jianchao，Lv Liqiang，et a1．Influence of heat-treatmenton microstructure and mechanical properties ofTC4 plate[J]．Titanium Industry Progress，2010，27(6)：27-29．

[12]顾晓辉，刘君，石继红．淬火、时效温度对TC4钛合金组织和力学性能的影响[J]．金属热处理，201 1，36(2)：29-33．

Gu Xiaohui，Liu Jan，Shi Jihong．Influence of quenching and aging temperature on microstructure and mechanical properties ofTC4 titanium alloy[J]．Heat Treatment ofMetals，201 1，36(2)：29-33．

[13]何军利，毛小南，张鹏省．循环热处理温度对TC4钛合金组织和力学性能的影响叨．金属热处理，2013，38(2)：62-66．

He Junli，Mao Xiaonan，Zhang Pengsheng．Effect of cycling temperature on microstructure and mechanical properties ofTC4 alloy[J]．Heat Treatment ofMetals，2013，38(2)：62-66．

[14]宋洪超，梁益龙，王攀智，等．等温处理对TC4钛合金组织和性能的影响[J]．金属热处理，2013，38(1 1)：18—20．

Song Hongchao，Liang Yilong，Wang Panzhi，et a1．Effect of isothermal treatment on microstructure and mechanical properties ofTC4 titanium alloy[J]．Heat Treatment ofMetals，2013，38(11)：18—20．

[15]甘章华，梁宇，王锦林，等．热处理工艺对TC4钛合金组织及硬度的影响[J]．金属热处理，20 14，39(9)：36-40．

Gan Zhanghua，Liang Yu，Wang Jinlin，et a1．Effects of heat treatment process on microstructure and hardness ofTC4 titanium alloy[J]．Heat Treatment ofMetals，2014，39(9)：36-40．

[16]张智，李维，廖强，等．不同锻造工艺对TC10钛合金组织和性能的影响[J]．机械工程与自动化，2014(3)：108-109，111．

Zhang Zhi，Li Wei，Liao Qiang，et a1．Effect of forging process on microstructure and mechanical properties of TC10 titanium alloy[J]．Mechanical Engineering&Automation，2014(3)：108．109，111．

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