钛合金拥有密度低、比强度高、耐侵蚀、凹凸温个性好等诸多利益
，宽泛利用于航空航天、海洋工程、化工、医疗等领域。由于钛合金熔炼过程要求刻薄
，成形难度大
，出产成本居高不下 
，限度了其更宽泛利用。目前
，低成本加工成形技术是钛合金低成本化的重要蹊径之一 
，已成为当枪合金技术钻研的热点。

Ti-6Al-4V（TC4）是利用最宽泛迪胙合金
，目前工业TC4钛合金板材是将2~3次真空自耗电极电弧熔铸成钛合金圆锭
，经开坯热加工成扁锭
，去除表层氧化皮后轧造成各类规格的板材。电子束冷床熔炼（electronbeamcoldhearthmelting
，EB）有可直接熔铸满足轧造尺寸要求钛合金扁锭的优势
，若直接用于板材轧造
，较现行的真空自耗电极电弧熔铸流程
，可省去由圆锭开坯成扁锭的热加工工序及相应的表表处置工序
，从而缩短工艺流程和提高资料利用率
，实现产品成本的降低。目前科研工作者在这方面已发展了一些钻研
，Ka‐linyuk等和Wood钻研均批注
，EB熔铸TC4合金成分颠簸较两次真空自耗电极电弧熔铸的宽
，轧造板材的力学机能与之相当或更好。冯秋元等钻研了EB铸坯直接轧造出合格的TC4钛合金板材
，通过提高资料利用率成本节俭了37%。李渤渤等报路了单次EB熔铸的TC4钛合金铸坯多火次轧造情况
，了局批注铸坯直轧的板材力学机能满足国度尺度要求
，且显微组织与力学机能达到锻坯造备板材的水平。李渤渤钻研了低成本TC4钛合金宽幅板的研造
，提出用0.6~2.0mm纯钛板包覆轧造EB熔铸TC4钛合金板坯的步骤
，可有效节造轧造裂纹的产生。王伟等钻研了轧造火次对显微组织、织构和力学机能的影响法规
，同时钻研了EB熔铸TC4钛合金铸坯的热变形行为并成立了本构方程。赵帅等钻研了EB熔铸TC4铸锭单向及交叉轧造对显微组织及力学机能的影响
，发现两次换向轧造得到的板材机能最佳。钛合金铸态组织为片层结构
，必须通过两相区的强烈变形能力使其等轴化 
，真空自耗电极电弧熔铸流程TC4钛合金板材的轧造温度均在β相变点（Tβ）以下
，目前关于EB熔铸TC4钛合金铸坯在Tβ上、下直接轧造
，对显微组织、力学机能的影响钻研鲜有报路。 

本文作者对EB熔铸的TC4钛合金扁锭
，别离在Tβ上、下直接轧造
，钻研相应工艺前提对合金板材显微组织和力学机能的影响法规
，为美满EB铸坯造备低成本TC4钛合金板材工艺技术系统提供经验和理论凭据。

1、试验资料与步骤

1.1资料 

用0级海绵钛、Al-55V合金和纯铝豆（Al≥99.9%
，质量分数
，下同）
，思考到EB熔铸过程中Al的挥发损失
，将Al以7~8%的比例增长
，其余成分按名义成分增长
，原料先经真空自耗电极电弧炉熔炼1次
，进行合金化和初步成吩旖均化
，而后在3150kW大型EB炉熔铸成TC4钛合金铸锭
，经铣面、建磨后得到尺寸为1250mm×200mm×7800mm的扁锭
，分切后进行轧造
，扁锭的实物图及金相组织如图1所示。选取陆续升温金相法测得相变温度为（995±5）℃。

图1EB熔铸的TC4扁锭及其金相组织

1.2轧造工艺 

试验设置A、B两种工艺
，均分3个轧程轧造得到8mm厚度的板材
，第1轧程沿铸锭长度方向轧造
，第2轧程换向轧造
，第3轧程轧造方向与第2轧程的一样
，单个轧程变形量约为60%。工艺A第1轧程加热温度为（965±5）℃
，工艺B第1轧程加热温度为（1065±5）℃
；两种工艺第2轧程加热温度为（945±5）℃
；工艺A第3轧程加热温度为（930±5）℃
，工艺B第3轧程加热温度为（920±5）℃。1.3分析检测金相试样用V（HF）∶V（HNO3）∶V（H2O）=1∶3∶7侵蚀液浸蚀
，在OLYMPUSGX51光学显微镜和GeminiSEM300场发射扫描电子显微镜上进行显微组织观察
；拉伸机能检测在Instron1251型全能试验机上进行
，力学机能测试后对试样的拉伸断口描摹进行观察
，用Image-ProPlus软件对显微组织进行丈量和统计分析。

2、了局分析与会商

2.1表表质量 

图2 为TC4钛合金板扁锭第1轧程轧造变形后的板材描摹。板材表表均呈黄褐色
，这是由于在加热及轧造过程中板坯氧化所致
，凭据氧化色判断为浅表氧化。工艺A第1轧程得到的半制品板面出现多处宏观裂纹
，板面中部裂纹最深为3mm
，边部裂纹尤为凸起
，最深裂纹为5mm。工艺B得到的半制品表表质量较好
，仅出现较少的浅表裂纹
，最深为0.5mm
，边部表表质量显著改善。两种工艺的第2、3轧程轧造后表表质量较好
，仅出现一些浅表裂纹。

图2第1轧程轧造后的板材描摹

第1轧程轧造前对铸锭长功夫的驻炉加热势必在其表层形成富氧α层
，其是一种硬脆相
，在轧造变形时易产生微裂纹。试验扁锭显微组织为魏氏组织
，自身塑性差
，在轧造中由于表层散热及与低温轧辊接触传热
，使浅表金属降温较快
，进而导致浅表金属塑性降落
，在轧造过程中协调变形能力变差。而浅表区域在轧造过程中变形应力高、应变大
，为表层微裂纹扩大提供了有利前提
，板坯边部降温更快
，资料塑性更低
，导致开裂更严沉。工艺B第1轧程加热温度为1065℃
，TC4合金进入β单相区
，晶体结构转变为体心立方结构而拥有更多滑移系
，温度升高
，滑移系的临界分切应力降低
，资料塑性变形能力加强
，更高的加热温度减弱了表层降温较快的影响
，因而表表开裂显著改善。

对第1轧程半制品板材试样进行拉伸测试
，工艺A第1轧程板材横向（TD）的伸长率为9%
，断面收缩率为27%
；工艺B第1轧程板材TD方向的伸长率为9%
，断面收缩率为20%
，塑性指标显著改善。文件钻研批注
，TC4铸坯第1轧程板材表层和心部组织不均匀
，表层的片层α更易被破碎和等轴化
，塑性更好。同时
，由于板材厚度减薄
，第2、3轧程坯料均热所需的驻炉功夫缩短
，表层氧化水平减轻。因而
，后续两个轧程的板材表表质量好转。

2.2显微组织 

工艺A第1轧程半制品板材的金相组织如图3a所示Ｄ芄豢闯
，初生α呈多种状态
，由EB铸态长片状部门断裂为多个陆续的短棒状α
，部门仍为片状α
，但长宽比力铸态显著变幼
，部门出现等轴α
，显微组织不均匀。工艺B第1轧程半制品板材金相组织如图3d所示。为细片层α和β晶界
，与铸态组织相比
，α片层显著变薄
，β晶粒内出现多个分歧取向的α集束并相互截断。工艺A第2轧程轧造后板材的金相组织如图3b所示。α破碎更充分
，显微组织重要由等轴初生α和β转变组织组成
，且有次生α析出
，存在个别拉长的α条。工艺B第2轧程轧造后板材的组织
，如图3e所示。重要由短棒状初生α、等轴初生α和β转变组织组成
，部门存在与轧造方向（RD）同向的长条状α
，较工艺A初生α相比例高、β相比例低。工艺A第3轧程轧造后组织破碎得更充分（图3c）
，初生α长宽比进一步减幼
，而工艺B第3轧程轧造后初生α相沿RD方向被拉长
，呈纤维状（图3f）
，初生α相间存在β相
，与工艺A相比
，工艺B前提下α等轴化水平低。

图3分歧工艺TC4钛合金板材的金相组织

对第1轧程半制品板材横截面中心区域进行扫描电镜观察
，如图4所示Ｄ芄豢闯
，两种工艺的显微组织显著分歧。工艺A在α+β两相区变形
，最显著的变动为片层α崩溃
，图4a为β相沿α/α亚晶界嵌入的状态
，β相将片层初生α宰割成多个成串的短棒状α。Salishchev等钻研给出了片层α分化的机造
，在两相区变形时
，α相和β相陆续再结晶
，变形在α片层中形成的幼角度晶界、大角度晶界、剪切带和孪晶等缺点造成了α片层的分化。测得铸态组织α片层均匀厚度约为1.4μm
，第1轧程半制品板材α条厚度约为4.8μm
，片层α显著长大。工艺B在β单相区变形
，得到魏氏组织
，文件指出TC4钛合金在Tβ以上变形机造是大晶粒的超塑性变形
，因而原始组织未破碎
，显微组织如图4b 所示。β晶粒内形成多个幼的α集束
，分歧取向的集束相互截断
，组成集束的α片层更薄
，厚度约为0.5μm
，远幼于铸态片层厚度
，这是由于第1轧程后处于空冷状态
，半制品板材变薄
，冷却速度快
，α相不仅可在晶界上生核
，同时在β晶粒内部可独立生核
，这样α集束数量增多。

初生α等轴化是两种工艺第2轧程轧造后显微组织特点。徐勇以为
，TC4钛合金在α+β两相区变形过程中
，片层α相的等轴化是其塑性变形过程的沉要行为
，动态再结晶被以为是片层组织等轴化的沉要机造
，文件钻研批注
，钛合金片层组织球化的前提是α片层崩溃。结合工艺A第1轧程板材的显微组织
，能够揣度
，在第2轧程轧造过程中片层α崩溃更充分
，动态再结晶实现了等轴化。由图3b、e能够看出
，片状α在第2轧程有效破碎
，初生α晶粒边缘有锯齿状凸起
，批注初生α以弓出机造长大。对第2轧程轧造后的初生α尺寸进行统计分析
，了局见表1。用λ暗示长宽比
，工艺A前提下λ≤1.5的部门比工艺B的险些逾越一倍
，批注工艺A对原始组织破碎更充分
；而λ≤3的部门
，工艺B比A仅仅低4%
，批注薄片层组织在Tβ下更易破碎和球化
，董显娟等钻研TA15钛合金片层α球化行为时发现一样的法规？赡苡捎谝谎寤诒∑阕橹钠闶扛
，在一样变形前提下α晶内产生幼角度晶界、大角度晶界、剪切带和孪晶等缺点的密度增长
，为片层α崩溃创造了前提。因而
，片层α的变薄是工艺B第2轧程组织细化的前提。工艺B第3轧程轧造后呈纤维特点
，可能与轧造温度较低
，动态再结晶水平较低有关。同时
，第3轧程轧造方向与第2轧程一样
，不利于组织的破碎。

图4第1轧程轧造后半制品板材的扫描电镜照片

表1第2轧程轧造后初生α长宽比的比例%

2.3力学机能 

表2 为第3轧程轧造后TC4钛合金板材的拉伸测试了局。工艺A获得板材TD方向的抗拉强度Rm为939MPa、屈服强度Rp0.2为850MPa、断后伸长率A为12.5%
，工艺B获得板材TD方向的Rm为926MPa、Rp0.2为884MPa、A为16.5%
，均满足GB/T3621—2007中对TC4钛合金板材室温力学机能的要求（Rm≥895MPa、Rp0.2≥830MPa、A≥10%）
，批注两种工艺均能获得力学机能合格的板材。两种工艺前提下沿RD方向的抗拉强度均较TD方向的高
，工艺A前提下逾越19MPa
，工艺B前提下逾越48MPa
，这可能与第3轧程轧造后初生α晶粒长度方向与RD方向一样有关
，当沿RD拉伸时
，拉伸轴与拉长的条状α成较幼角度
，相互平行的条状α起到加强作用
；当沿TD方向拉伸时
，拉伸轴与条状α相呈较大角度
，使条状α相间的联系大幅减弱
，导致条状α的加强作用根基隐没。工艺B获得的TC4钛合金板材
，β相以片层状和幼岛状存在
，分散更均匀
，增长了两相界面
，从而屈服强度较高。工艺B获得的板材RD和TD方向的塑性指标相当
，工艺A前提下伸长率显著各向异性
，这可能与轧造织构有关
，织构是影响合金力学机能各向异性的重要成分之一。

表2第3轧程轧造后TC4钛合金板材的室温拉伸机能

2.4断口描摹 

图5为两种工艺下第3轧程轧造所得板材的室温拉伸断口的微观描摹。工艺A前提下沿RD和TD方向的断口均出现出大幼不等的韧窝
，韧窝中均有孔洞
，阐发出韧窝-微孔荟萃型断裂特点。工艺B前提下沿TD方向断口同时存在扯破棱、河道状花腔和韧窝
，阐发出准解理断裂和韧性断裂混合特点。沿RD方向的断口韧窝较深较大并呈等轴状
，部门大韧窝中有幼韧窝
，存在多处孔洞
，阐发出韧窝-微孔荟萃型断裂特点。

图5第3轧程轧造后TC4钛合金板材的断口描摹

2.5会商 

以EB炉熔铸的TC4钛合金扁锭为坯料
，通过直接轧造工艺出产钛合金板材
，与真空自耗电极电弧熔炼流程出产板材相比
，省去了铸坯开坯环节
，工艺流程变短
，同时也省去了开坯后的铣面、建磨等需人为处置的瓶颈环节
，提高了资料利用率和出产效能
，从而降低出产成本。固然在两种工艺前提下均能获得机能合格的产品
，但Tβ以下进行第1轧程导致中央半制品表表开裂
，需通过大量表表建磨能力去除
，不适合工业大批量出产和降低成本的技术指标。而在Tβ以上进行第1轧程
，利用了TC4钛合金在Tβ以上塑性变形能力提升的性质
，半制品板材表表质量显著改善
，这与钛合金锻件必要在Tβ温度以上开坯的道理一样。但Tβ以上进行第1轧程获得的依然是魏氏组织
，片层组织的破碎承压到后续轧造环节
，钻研发现
，第1轧程轧造后的片层组织相比铸态片层组织更薄更密
，在后续轧造过程中有利于组织细化
，第2轧程轧造获得了较好地破碎和球化成效
，但仍存在长条状的初生α
，在第3轧程轧造后组织均匀性改善。本钻研中指标板材厚度为8mm
，第2、3轧程轧造的单次变形量均靠近60%
，较大的变形量为组织的细化和均匀化提供了有利前提。然而用一样厚度的铸坯直接轧造更厚规格板材
，Tβ以下的累计变形量势必减幼
，有关工艺需进一步钻研。 

3 结论

1）以EB炉熔铸的TC4钛合金扁锭为坯料
，用A、B两种工艺
，分3个轧程造备8mm厚度的钛合金板材
，第1轧程的加热温度显著影响半制品板材的表表质量
，工艺A加热温度在Tβ以下（965℃）
，半制品板材表表出现严沉的宏观裂纹
，而工艺B加热温度在Tβ以上（1065℃）
，半制品板材表表质量显著改善
，得到薄片层α的魏氏组织
，片层厚度减薄有利于组织的破碎
，从而工艺B第2轧程后板材初生α细化程杜纂工艺A相当
，第3轧程轧造后组织均匀性进一步提高。

2）两种工艺第3轧程变形后
，工艺A获得板材TD方向的Rm为939MPa、Rp0.2为850MPa、A为12.5%
，工艺B获得板材TD方向的Rm为926MPa、Rp0.2为884MPa、A为16.5%
，均满足GB/T3621—2007中对TC4钛合金板材室温力学机能的要求
，但工艺B造备的板材Rp0.2较高且阐发出各向异性。因而
，推荐选取工艺B
，即第1轧程加热温度为1065℃、第2轧程为945℃、第3轧程为920℃和单次变形量约为60%的工艺来执行EB铸坯直接轧造TC4钛合金板材。