钛合金板材具有优异的综合性能，已广泛应用于航空、航天、舰船、海洋工程等领域。目前，全球范围内钛合金的应用主要以纯钛和TC4钛合金为主，而TC4钛合金在钛合金系列产品应用中又以板材为主，且用量占到50%以上。近年来,随着国家重大战略发展的要求，钛合金板材未来的需求量仍十分巨大。

另外，TC4钛合金是极具发展潜力的轻质装甲材料，其防护系数可达到1.6~1.8 ,明显优于现有的装甲钢、装甲铝。目前，我国装甲车辆对高性能钛合金的需求迫切，在高机动性地面作战平台、第二代空降作战战车、第三代高速两栖战车等装备上都具有广阔的应用前景。

随着TC4钛合金材料在高端装备领域的应用，对其综合性能的要求也越来越高。围绕TC4钛合金的变形工艺以及热处理工艺对其组织性能的影响，针对不同的材形，学者已开展大量相关研究 ,在加工工艺相同的条件下，通过不同的热处理工艺，改变微观组织形态以及相组成，可以有效改善和提高钛合金材料的综合性能。本研究以锻造后经过热轧的TC4宽厚板为研究对象，研究了退火工艺对TC4板材微观组织和性能的影响。

1、试验材料和方法

试验所用板材采用VAR两次熔炼的TC4钛锭，经过两火锻造获得厚度140 m m 的锻造板坯，随后采用两火轧制， 一火为开坯轧制，轧后厚度80 rrnn;二火为成品轧制，加热温度960℃， 开轧温度920 t , 终轧温度820℃，板坯从厚80 rrnn经过8 道次轧制为厚度15 m m 的成品。从成品板材的头部取样进行不同工艺的退火处理。退火工艺为将试样加热到800、8 5 0、900和950 t ，保温1 、2 、4 、8h后出炉空冷。

对试样进行磨抛处理后进行腐蚀,腐蚀液成分为H F :H N 0 3:H 20 = 1:3:16的混合腐蚀液，侵蚀时间1 0 ~15 s ,发现试样光亮表面变灰暗后，立即用大量清水和酒精冲洗，随后采用L E I C A D M 6000M 光学显微镜进行组织观察。对金相试样采用F M -300显微硬度仪进行显微硬度测试，加载载荷为500g采用InStr〇n5569电子拉伸试验机，按GB/T 228—2010《金属材料拉伸试验第1 部分:室温试验方法》对完成不同退火工艺的TC4板材横向试样进行力学性能测试，获得抗拉强度、屈服强度、断面收缩率以及伸长率。

2、试验结果和分析

2.1 热轧前后TC4钛合金板材的组织从锻造态的TC4板坯上取样进行组织分析，结果如图1(a ),可以看到，TC4板坯的锻造组织为针状魏氏组织和片层组织，魏氏组织由细针状的α集束和少量晶界β相组成，片层组织是由针状魏氏组织发生粗化而形成的，片层α相的宽度达到15 ~20μm，由此可见锻造组织的均匀性较差，造成局部α相粗化的原因可能是元素的偏析或锻造过程中局部温度场分布不均匀所导致。 对锻造组织进行热轧，热轧后的组织如图1 (b ) ,锻造组织中的魏氏组织在变形过程中被破碎拉长，形成了变形态的纤维组织，同时组织中仍然存在少量没有被完全破碎的粗大片层组织,但是可以明显观察到这些粗大组织仍然发生了拉伸变形。

2.2 退火温度对板材组织和性能的影响

对热轧后的TC4板材取样进行不同温度的退火保温2h处理，获得退火态组织见图2 。采用800℃退火时，轧态的拉长变形组织发生了回复和再结晶，但是由于温度较低，再结晶过程没有使得晶粒完全等轴化，组织主要由形状不规则的α相组成，同时α相晶界位置形成有少量粒状分布的β组织，如图2 ( a )所示。随着退火温度的升高，初生α相越趋近于等轴化，转变的β组织在晶界上的量也越来越多，当温度升高到900℃时，组织主要由等轴的初生a 组织和β转变组织所组成。随着退火温度进一步升高，α相的等轴化程度越来越高，晶粒尺寸也不断增大，β转变组织也得到了迅速长大，退火温度950℃时，如图2 ( d ) ,TC4 板材的组织由等轴组织向双态组织转变,组织主要由等轴初生α相+β转变组织组成，等轴初生α相的晶粒尺寸达到10 ~ 15μm ,β转变组织由片层状次生α相和β相交错排列组成，从显微组织照片可以看出，此退火条件下β转变组织所占的比例较大。

不同温度退火处理后TC4板材的力学性能见表1，对比可以发现，不同温度的退火处理，虽然试样的组织形貌出现了明显的差别，但是材料的抗拉强度和塑性都没有出现较大的差别，抗拉强度都介于980 ~1000MPa之间，伸长率13% 〜14% 。然而材料的屈服强度（用2代表屈服强度）随着温度的升高，出现了明显的下降趋势，由800℃时的956 M Pa下降到950℃时的902MPa。由此可以看出，在TC4板材发生再结晶后再提高退火温度，对材料的抗拉强度和塑性都不会有明显改善或提高，但是提高退火温度可以降低材料的屈强比，改善成形性，有利于后期材料的冷加工。

2.3 退火时间对板材组织和性能的影响

采用900℃的退火温度，对轧制后的TC4板材进行不同时间的保温，获得的退火组织见图3 。可以看出在900℃的退火温度条件下，无论退火时间的长短，试样的组织均以α相为主，随着保温时间的增加相由长条状向等轴状转变，同时，等轴α组织的晶粒尺寸也发生了明显的粗化现象，保温8 h 后α相的晶粒尺寸大于30μm ,见图3 ( d ) 。另外，初生α相晶界位置都能观察到少量β相，但是随着时间延长，(β相的比例没有出现明显增加的趋势，也没有观察到片层状的β转变组织，表明TC4板材退火组织中的β转变组织要在大于900℃的温度条件下才会大量形成。力学性能方面（见表2 ) ，强度随保温时间的增加呈先增大后降低的趋势，但是总体变化幅度不大，伸长率随保温时间的增加而增大，表明延长退火时间，对材料强度的提升效果不大，但是可以有效改善材料的塑性。

2.4 退火工艺对板材显微硬度的影响

对采用不同退火工艺的TC4板材进行显微硬度测试，结果见图4 ,采用800 T 的退火温度，随着退火时间的增加，试样的硬度值变化不大。而采用850、900和950℃的退火温度，随着退火时间的增加，试样的硬度值都出现有不同幅度的增加，950℃时的硬度值增加幅度最大。整体来看，退火温度越高，保温时间越长，TC4钛合金的硬度值越大，采用950 t x 8 h 的退火工艺，硬度值达到最大值439 H V 0.5 。

2.5 分析与讨论

本文所采用的TC4钛合金板材在经过锻造和乳制后，获得了被破碎的拉长变形组织，通过不同工艺的退火处理，变形组织发生回复、再结晶和相转变，形成了不同的组织类型，力学性能也随之发生变化。总体来看，退火过程中，初生α相从变形组织的形核核心位置形核，并长大、球化，温度低于9 0 0 t 时，组织主要以初生等轴a 组织为主，当温度达到950℃后，晶界位置的β相开始长大，由于高温条件下Al元素的固溶和偏聚相内部形成了片层状的次生α相，共同组成β转变组织，温度越高，时间越长，(3转变组织的比例

越高。当组织由等轴组织向双态组织转变后，材料的抗拉强度和伸长率变化不大，而屈服强度出现了明显的降低，分析其原因，退火温度越高，组织中位错密度越低，球化程度越高，这些都将使材料的强度降低，塑性提高，但由于TC4钛合金在高温退火时形成了片层状的β转变组织，起到了第二相强化的作用，使得其强度提高，塑性下降，因此二者综合作用，导致材料的抗拉强度和塑性伸长率变化不大，而β转变组织的形成对材料屈服强度的强化作用贡献不大，因此屈服强度随温度升高出现较为明显的下降。

TC4钛合金硬度和强度的关系与传统的钢铁材料不同，并没有呈现出正比关系，从测试获得的结果来看，TC4钛合金板材的硬度随退火温度的提高和退火时间的增长而增大，但其强度并没有呈现出类似规律,其原因也与组织中所含不同相的比例有关，温度越高，保温时间越长,组织中的硬相(β相以及(β转变组织所占的比例越高，使得材料的硬度值越大。

3、 结论

1) TC4钛合金板材轧制后经不同工艺退火处理，随着退火温度的升高，微观组织中晶粒的等轴化程度提高，温度大于900℃后,β转变组织在初生α相的晶界位置开始形成，组织类型由等轴组织向双态组织转变。

2 ) 随着退火温度的升高,TC4钛合金板材的抗拉强度和伸长率变化不大，屈服强度下降，材料的硬度随退火温度升高具有较大幅度的提高。

3) 900℃保温4 h 后，组织中的晶粒迅速长大，延长保温时间可以提升TC4钛合金板材的塑性，对强度影响不大。950℃条件下延长保温时间，材料的硬度大幅度提高，低于900 ℃时延长保温时间，材料硬度的 提局幅度较小。

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