深海中储藏有丰富的资源和能源, 开发深海中的资源和能源将有助于人类实现可持续发展。然而, 开发深海资源和能源需要新一代先进装备, 同时也对制备装备的材料提出了更高的要求, 要求材料不但需要具有高强度以承受巨大的水压, 还应该具有优异的耐蚀性以在服役期间经受海水腐蚀。钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐蚀性好和无磁性等一系列优点, 被广泛应用于航空航天、石油化工和兵器等领域^[1-3]。目前, 钛及钛合金已经在海洋环境中得到了广泛的应用, 例如海洋油气开发平台、海港建筑、沿海发电站、海水淡化设备、船舶及海洋热能转化设备等方面。

TC4ELI钛合金的海水浸泡腐蚀率低、强度高、成形性能和焊接性能优异, 其在海洋装备上的应用越来越广泛。庞洪等^[4]研究了热处理对厚度为90 mm的TC4ELI宽幅厚板钛合金组织和性能的影响, 发现在720~930 ℃热处理后, 其显微组织为均匀细小的α + β组织, 板材的性能高于相应的标准要求。吕逸帆等^[5]研究了固溶和时效对TC4ELI宽幅厚板钛合金组织和性能的影响, 发现提高固溶温度、增大冷却速率、降低时效温度可以提高合金的强度; 降低固溶温度、增大冷却速率、降低时效温度可以提高合金的冲击韧性和断裂韧性。万明攀等^[6]研究了固溶温度对TC4ELI钛合金厚板组织和性能的影响, 发现:固溶温度的升高, 等轴α相的数量减少, 而β相转变组织的数量逐渐增加。其抗拉强度、屈服强度和断裂韧性逐渐增加, 而断面收缩率和伸长率下降, 抵抗裂纹扩展的能力也逐渐增强。马英杰等^[7]研究表明, 具有片层状组织的TC4ELI钛合金具有较大的疲劳裂纹尖端塑性区, 并且裂纹扩展路径更加曲折, 裂纹扩展速率更低。钛合金厚板在海洋装备上应用时, 常常会采用焊接的方法进行板材之间的连接, 焊接过程中焊缝区的温度超过相变点温度, 焊缝区的组织进入β相区, 冷却后β相转变成片状组织, 为了保证焊缝区与基体组织相近, 钛合金厚板应该具有网篮组织。然而, 如何制备出具有网篮组织的TC4ELI钛合金厚板的研究很少。

本文以TC4ELI钛合金为试验材料, 通过优化轧制工艺和退火温度, 制备出具有网篮组织的TC4ELI钛合金厚板。

试验所用的TC4ELI钛合金铸锭采用真空自耗电弧炉熔炼, 熔炼次数为3次, 铸锭直径为840 mm。相变点为983 ℃。钛合金铸锭经过锻造制成板坯, 然后轧制成厚度为22 mm的板材。

板材轧制工艺:加热→热轧→退火。为了研究轧制工艺对显微组织的影响, 设计了两种不同的轧制温度工艺, 分别命名为工艺1和工艺2, 工艺1的轧制温度低于工艺2。为了研究退火温度对板材显微组织的影响, 选择退火温度分别为780, 860, 900和940 ℃, 退火时间为1 h。

退火后, 在板材上切取金相试样和力学性能测试试样。显微组织观察在金相显微镜上进行, 金相试样经砂纸打磨和机械抛光后, 采用配比为HF:HNO₃:H₂O=1:3:9 (体积分数)的侵蚀液腐蚀。试验合金的力学性能按照GB/T 3621—2010标准在INSTTON5885电子万能材料试验机上进行测试。

图 1为锻造后的TC4ELI铝合金板坯显微组织的金相照片。从图 1中可以看出, 显微组织为典型的两相区加工组织, α相呈条状和短棒状形貌。

图 1

图 1 板坯纵向显微组织 Fig. 1 Microstructure of the slab along to longitudinal direction

图 2为TC4ELI铝合金板材轧制后经780 ℃退火1 h后空冷组织的金相照片。从图 2(a)中可以看出, 采用工艺1轧制后的板材纵向显微组织由初生α相和β相转变组织组成, 属于典型的双相组织, 并且初生α相的形貌分为等轴状和沿轧制方向拉长的条状, β相转变组织中的次生α相均呈现出无规则分布的条状; 横向组织与纵向组织基本相同, 但横向组织中的初生α相均呈等轴状, 见图 2(b)。从图 2(c)和(d)中可以看出, 采用工艺2轧制后, 板材纵、横向显微组织均由相互交错的条状α相组成。这种组织属于网篮组织, 并且纵向组织中的条状α相倾向于沿着轧制方向分布, 而横向组织中的条状α相没有表现出明显的取向性。因此, 想要获得网篮组织, 必须采用工艺2。

图 2

图 2 轧制工艺对板材显微组织的影响 Fig. 2 Effect of rolling procedure on microstructure of the plate

TC4ELI铝合金板材热轧后会出现显著的加工硬化现象, 为了消除加工硬化, 板材热轧后必须进行退火处理。具有网篮组织的板材的退火的关键在于, 退火后不但要消除加工硬化现象, 同时要确保网篮组织不能转变成其他组织。

退火过程中的软化机制包括回复和再结晶两种。回复过程的本质是点缺陷运动、位错运动和位错的重新组合。低温回复以点缺陷运动为主, 高温回复以位错运动和位错的重新组合为主。回复过程中, 显微组织中的晶粒形貌及尺寸基本不改变。若回复过程中只发生点缺陷运动, 则加工硬化基本保留下来; 若回复过程中发生了位错运动和位错的重新组合, 亚晶形成及粗化, 加工硬化程度将大大降低。再结晶就是无畸变的新晶粒重新形核和长大, 完全再结晶后, 材料的强度下降, 塑性显著升高。钛合金的堆垛层错能较高, 层错较窄, 不全位错容易束集成全位错进行位错运动, 所以钛合金加热过程中容易出现回复现象。若要使具有网篮组织的TC4ELI钛合金厚板退火后消除加工硬化的同时避免网篮组织转变成等轴组织, 这就需要退火过程中只发生回复, 不能出现再结晶。

图 3为不同退火温度下的显微组织照片。从图 3(a)和(b)可知, 退火温度为780 ℃时, 纵、横向显微组织均为网篮组织; 退火温度为860 ℃时, 显微组织仍然为网篮组织, 网篮组织中的条状α相相互交错, 没有明显的方向性, 并且局部出现不规则的块状α相, 这是因为条状α相在退火过程中发生了长大。当退火温度达到900 ℃时, 从纵、横向显微组织中可以发现部分长条状α相变成短棒状α相, 但仍然与网篮组织类似。当退火温度升高至940 ℃时, 纵、横向显微组织中的条状α相显著减少, 等轴α相显著增多, 这说明退火过程中发生了明显的再结晶。因此, 最高退火温度不能超过900 ℃。

图 3

图 3 退火温度对TC4ELI钛合金厚板显微组织影响 Fig. 3 Effect of annealing temperature on microstructure of the TC4ELI titanium alloy thick plate

(1) 对94 mm厚的TC4ELI铝合金板坯进行两火次轧制, 采用工艺1轧制后的板材显微组织为双相组织; 采用工艺2轧制后的板材的显微组织为网篮组织。

(2) 对于具有网篮组织的TC4ELI铝合金厚板, 当退火温度低于900 ℃时, 退火后的板材的显微组织没有明显变化, 仍为网篮组织; 当退火温度为940 ℃时, 退火后的板材显微组织中出现了再结晶晶粒, 部分条状α相变成等轴状α相。