通过多向温锻生产的超细晶二相钛合金

zhiy1985

因为力学性能、抗腐蚀性能及加工性能的优良组合，二相Ti-6Al-4V合金成为最广泛应用的钛合金之一。通过将合金显微组织细化至超细晶（UFG，晶粒尺寸小于0.5～1μm）范围，使合金的力学性能显著提高，结果是可以大大拓展合金的应用。通过细化晶粒改善力学性能已使得材料工程领域快速发展，UFG材料可以通过强塑性变形（SPD）来生产。日渐成熟的SPD技术包括高压扭转、等通道转角挤压及多向锻造（MAF）。这些方法的优点是使试样保持原始形状和尺寸的同时几乎无限制地累积变形的能力。

现在，通过细化晶粒改善合金的强度、硬度、高周疲劳强度及超塑性能业已获得一致认可。但是，殊不知显微组织显著细化通常会导致与塑性相关性能（拉伸性能、冲击韧性、抗裂纹扩展性能）的下降，因为这类材料达到应变硬化的能力很低。因此，为了判断UFG二相钛合金应用领域的可行性，同时也为了改善这类材料的塑性而需要对UFG二相钛合金作进一步研究。

俄罗斯研究人员研究了通过多向温锻生产的UFG二相Ti-6Al-4V合金的最重要的室温力学性能，并且研究了进一步改善塑性相关性能的方法。

研究材料为α/β二相Ti-6Al-4V合金，状态为β转变温度980℃的Φ40mm的热轧棒。通过包括一系列沿试样不同方向的压缩而获得合金的超细晶显微组织，多向锻造的负载方向为垂直方向，应变速率为～10-3s-1。为了改善UFG合金的塑性，UFG合金试样需经过二个阶段的退火处理，包括550～650℃均热1小时+水淬，以及480℃均热2小时。而常规的加热强化微晶条件为从945℃水淬+500℃退火3小时。研究结果表明：

最终合金组织中α和β颗粒的尺寸为150～500nm，尺寸大小与变形温度有关。

与常规微晶条件加工的合金性能比较，超细晶材料的室温强度要高出16～33%，分别为1050MPa和1400MPa。

观察发现，随着晶粒度减小，与塑性相关的性能包括拉伸性能、冲击韧性及断裂韧性等都随之下降。但通过退火，伴随着材料软化至常规微晶条件下的强度水平，合金塑性则明显提高。

与强度没有损失的均匀的UFG显微组织相比，在UFG基体中形成包含相对大的晶粒的双态显微组织能够强化与塑性相关的各项性能，这些性能比前者高出20～60%。