TC4ELI(ExtraLowInterstitial)鈦合金在TC4合金的基礎上,降低了間隙元素含量,提高了合金的斷裂韌度和裂紋擴展速率[1-3]。該合金兼具低海洋浸泡腐蝕速率、高強度(抗拉強度Rm≥895MPa)以及良好的成形/焊接性能[4],現已成為深海耐壓殼體、艦船管路系統等關鍵部件的優選材料[5-6]。隨著海洋裝備服役環境日趨嚴苛,對TC4ELI鈦合金板材的低溫沖擊韌性(-20℃以下)及組織穩定性提出了更高的技術要求。本文以艦船用厚度為24mm的TC4ELI鈦合金熱軋板材為研究對象,系統考察退火溫度(760~1000℃)對板材顯微組織演變及其室溫/低溫力學性能的影響規律,為制定板材熱處理協同工藝提供數據支撐。

1、試驗材料及方法

試驗原材料為新疆湘潤新材料科技有限公司提供的 TC4ELI 鈦合金熱軋態板材（厚度為 24 mm）：經 3 次真空自耗電弧爐熔煉成 Φ689 mm 鑄錠，鑄錠經多火次鍛造至厚度為 307 mm 的板坯，板坯在兩相區經三火次軋制為厚度為 24 mm 的板材。相變溫度為 977℃，化學成分見表 1。

熱處理試驗在馬弗爐中進行，設置 5 組退火工藝參數（表 2）：溫度范圍為 760~1000℃，保溫時間為 1 h，空冷（Air Cooling, AC）至室溫。參照 GB/T 232-2024 [7]，在板材 1/4 厚度處截取試樣，取樣方向分別與軋制方向呈 0°（縱向）、90°（橫向），進行以下測試：

表 1 試驗材料的化學成分 (%, 質量分數)

Table 1 Chemical compositions of test material (%, mass fraction)

Al	V	Fe	N	C	H	O	Ti
6.33	4.22	0.182	0.005	0.007	0.001	0.111	余量

表 2 試驗熱處理制度

Table 2 Heat treatment system for test

序號	1#	2#	3#	4#	5#
熱處理制度	760 ℃/1 h, AC	840 ℃/1 h, AC	920 ℃/1 h, AC	960 ℃/1 h, AC	1000 ℃/1 h, AC

（1）室溫拉伸試驗：按 GB/T 228.1-2021 [8] 制備 R7 標準試樣，測試速率為2mm.min^-1。

（2）沖擊試驗：制備 10 mm×10 mm×55 mm 夏比 V 型缺口試樣，按 GB/T 229-2020 [9] 分別進行室溫及 - 20℃低溫沖擊測試，缺口軸線垂直于軋制面。

（3）顯微組織分析：試樣經 Kroll 試劑（3% HF+6% HNO₃+91% H₂O）腐蝕后，使用光學顯微鏡觀察其組織形貌。沖擊斷口形貌通過掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）觀察。

表 1 試驗材料的化學成分 (%, 質量分數) 

Table 1 Chemical compositions of test material (%, mass fraction)

Al	V	Fe	N	C	H	O	Ti
6.33	4.22	0.182	0.005	0.007	0.001	0.111	余量

表 2 試驗熱處理制度 

Table 2 Heat treatment system for test

序號	1#	2#	3#	4#	5#
熱處理制度	760 ℃/1 h, AC	840 ℃/1 h, AC	920 ℃/1 h, AC	960 ℃/1 h, AC	1000 ℃/1 h, AC

2、試驗結果與分析

2.1 退火溫度對顯微組織的影響

按照表 2 的熱處理制度對試樣進行熱處理，顯微組織見圖 1。圖 1a、圖 1b 和圖 1c 的組織形貌相似，均為等軸初生 α 相 +β 轉變組織，β 轉變組織由交錯分布的次生 α 相和殘余 β 相組成；隨著退火溫度的升高，次生 α 相含量（即體積分數，下同）由 25.9% 增加至 31.6%，片層結構厚度約增加 89%（1.8 μm 至 3.4 μm）。當退火溫度為 960℃時，初生 α 相大量分解，相含量僅為（原文此處未明確數值，按原文保留），組織為晶界等軸初生 α 相 +β 轉變組織，β 轉變組織由晶內細小片層次生 α 相集束和殘余 β 相組成；當退火溫度達到 1000℃（超過β相相變點Tβ= 997℃）時，初生 α 相完全溶解，形成粗大的魏氏組織，見圖 1e。

2.2 退火溫度對沖擊性能和拉伸性能的影響

按照表 2 的熱處理制度對試樣進行熱處理，TC4ELI 鈦合金板材的力學性能見表 3，沖擊斷口宏觀形貌見圖 2，室溫沖擊斷口微觀形貌見圖 3，-20℃沖擊斷口微觀形貌見圖 4。

表 3 退火后 TC4ELI 鈦合金板材的力學性能

Table 3 Mechanical properties of TC4ELI titanium alloy plate after annealing

序號	熱處理制度	抗拉強度Rm/MPa	規定非比例延伸強度Rp0.2/MPa	伸長率 A/%	斷面收縮率 Z/%	室溫 (20℃) 沖擊功 / J	-20℃沖擊功 / J
1#	760℃/1 h, AC	956	885	16.3	46.0	31.6	28.2
2#	840℃/1 h, AC	954	882	16.0	46.0	34.2	41.2
3#	920℃/1 h, AC	950	859	16.3	46.0	47.3	40.2
4#	960℃/1 h, AC	957	839	16.0	45.5	44.0	39.2
5#	1000℃/1 h, AC	964	835	9.0	13.0	41.3	39.5

板材沖擊性能隨退火溫度的變化趨勢如圖 5b 所示。

室溫沖擊和 - 20℃沖擊功隨著退火溫度變化趨勢是一致的。920℃退火時，室溫和 - 20℃沖擊功達到峰值，分別為 47.3 J 和 40.2 J。圖 2a~ 圖 2d、圖 2f~ 圖 2i 斷口呈灰色，均由纖維區、放射區、剪切唇組成，發生韌性斷裂；圖 2e 和圖 2j 斷口為發亮灰色結晶狀，斷裂機理為穿晶解理，發生脆斷。隨著退火溫度的升高，宏觀斷口的粗糙度逐漸增大。

圖 3 和圖 4 顯示，隨著退火溫度的升高（圖 3a~ 圖 3d、圖 4a~ 圖 4d），斷口形貌無較大差異，斷口均存在大量尺寸各異的等軸韌窩，韌窩之間相互纏結，以網狀的形式排布，大韌窩的邊緣有一定數量的小韌窩 [10-11]；當退火溫度達到 β 相相變點β以上時，斷口形貌發生明顯變化，圖 3e 的韌窩數量少而深度淺、顯微組織明顯粗大；圖 4e 的解理斷口呈河流花樣，周圍存在少量韌窩。

板材室溫拉伸性能隨退火溫度升高的變化趨勢如圖 5a 所示。可以看出，不同退火溫度下板材抗拉強度Rm差異不大，在 950~964 MPa 之間；規定非比例延伸強度Rp0.2隨著退火溫度的升高，由 885 MPa 降低至 835 MPa；在 β 相相變點以下退火時，板材的伸長率 A 和斷面收縮率 Z 變化不大；在 β 相相變點以上退火時，板材塑性急劇下降，其中，伸長率由 16% 降至 9%，斷面收縮率由 46% 降至 13%。

董曉鋒等 [11]、劉睿等 [12]、Niinomi M 等 [13] 等研究證實，對于兩相鈦合金斷裂過程，初生 α 相是裂紋萌生源及擴展通道；材料的斷裂韌性正比于初生 α 相內部平均自由程，而（原文此處 “圖 圖” 表述不完整，按原文保留）的初生 α 相差不大，因此合理推測斷裂韌性除了初生 α 相含量這一影響因素之外，還有其他因素。對比觀察圖 2c、圖 3c 和圖 4c，可以推測出，在沖擊斷裂過程中，寬厚的片層狀次生 α 相改變了裂紋擴展的方向，使其不斷進行路徑分支，所以沖擊功最大。劉睿等 [12] 認為，具有初生 α 相 +β 轉變組織特征的 TC4 鈦合金的動態斷裂韌性受到初生 α 相和次生 α 相片層的交互影響。董曉峰等 [11] 也認為，編織狀多尺度片層組織中裂紋的擴展出現較多的偏轉和二次裂紋，提高了合金的抗裂紋擴展能力。片層 α 相在取向有利的情況下，能夠提高裂紋的擴展功，具有較為曲折的裂紋擴展路徑，出現裂紋繞過和穿過片層次生 α 相集束的現象。

表 3 退火后 TC4ELI 鈦合金板材的力學性能 

Table 3 Mechanical properties of TC4ELI titanium alloy plate after annealing

序號	熱處理制度	抗拉強度Rm/MPa	規定非比例延伸強度Rp0.2/MPa	伸長率 A/%	斷面收縮率 Z/%	室溫 (20℃) 沖擊功 / J	-20℃沖擊功 / J
1#	760℃/1 h, AC	956	885	16.3	46.0	31.6	28.2
2#	840℃/1 h, AC	954	882	16.0	46.0	34.2	41.2
3#	920℃/1 h, AC	950	859	16.3	46.0	47.3	40.2
4#	960℃/1 h, AC	957	839	16.0	45.5	44.0	39.2
5#	1000℃/1 h, AC	964	835	9.0	13.0	41.3	39.5

3、結論

在 β 相相變點以下退火，溫度對 TC4ELI 鈦合金板材的強度和塑性影響不大；β 相相變點以上退火，板材強度變化不大，但由于魏氏組織導致材料變形協調性差、塑性急劇降低。

在 920℃以下退火時，初生 α 相含量差異不大，次生 α 相含量小幅度增加，次生 α 相片層厚度增大。

TC4ELI 鈦合金板材的室溫和 - 20℃沖擊性能隨著退火溫度的升高呈現先升高再降低的趨勢，920℃退火時，室溫和 - 20℃沖擊功達到峰值。次生 α 相的含量和結構對板材沖擊性能具有顯著影響，在沖擊斷裂過程中，寬厚的片層狀次生 α 相改變了裂紋擴展的方向，不斷進行路徑分支，因此，沖擊功增加。

在 840~920℃退火，板材的室溫拉伸、室溫沖擊和低溫沖擊性能匹配良好。

參考文獻

[1] 呂逸帆，張毅，景寶全，等。固溶時效對 TC4ELI 鈦合金組織和性能的影響 [A]. 中國有色金屬學會，寶山鋼鐵股份有限公司。第十四屆全國鈦及鈦合金學術交流會論文集 (下冊) [C]. 上海，2010.

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[13] Niinomi M, Kobayashi T. The effect of heat treatments on microstructure and mechanical properties of TC4 titanium alloy [J]. Rare Metal Materials and Engineering, 1988, 100: 45-55.

（注，原文標題：退火溫度對TC4ELI鈦合金板材組織性能的影響）

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