TC4鈦合金是一種典型的兩相鈦合金，具有高強度、高比強度和低彈性模量等優異特性，除在航空航天工業中作為重要的結構材料外，在生物醫療領域也得到廣泛的應用[1-3]，如用于制造醫用超聲刀[4]。超聲刀因具有切割準確、止血快速等優點被廣泛應用于外科手術中[5]。為保證超聲刀使用的穩定性，要求原材料TC4鈦合金棒材的超聲聲速控制在一定的范圍，且波動性越小越好。超聲波在材料中的傳播速度與材料的顯微組織形態息息相關[6-7]，而鈦合金的顯微組織形態除受到合金成分的影響外，主要是由加工工藝決定的，因此加工工藝對鈦合金超聲聲速有顯著的影響。鄭念慶等[7]研究了相變點附近單重熱處理對φ30mmTC4鈦合金精鍛棒材超聲聲速的影響，時靖等[8]研究了鍛造溫度和變形量對TC4鈦合金鍛件超聲聲速的影響，李運等[9]研究了精鍛溫度、變形量及熱處理制度對Ti7Al4Mo合金超聲聲速的影響。對于TC4鈦合金棒材，除了需要進行常規的退火處理、固溶時效處理外，有時還需要進行三重熱處理[10-12]，而關于軋制和多重熱處理工藝對TC4鈦合金棒材超聲聲速的影響尚未見報道。

以TC4鈦合金軋制棒材為例，研究了軋制工藝、固溶時效熱處理和三重熱處理工藝對棒材超聲聲速的影響，以期為實現TC4鈦合金軋制棒材超聲聲速的控制提供參考。

1、實驗

1.1實驗材料

實驗所用材料為西部超導材料科技股份有限公司生產的φ45mmTC4鈦合金棒坯，其化學成分見表1，相變點溫度為995℃。棒坯顯微組織為典型的雙態組織，如圖1所示。

1.2方法與設備

在φ45mmTC4鈦合金棒坯上切取等長度的軋制坯料，按照表2所示方案進行棒材軋制，得到規格分別為φ12、φ16、φ25mm的TC4鈦合金棒材。

在940℃軋制的φ25mmTC4鈦合金棒材上切取熱處理試樣，按照表3所示方案進行固溶、固溶時效以及三重熱處理試驗。

在軋制棒材和熱處理后試樣的心部切取金相試樣，經研磨、拋光、腐蝕后，采用光學顯微鏡進行組織觀察，并利用Image-ProPlus5.0圖像分析軟件統計α相含量。采用CL400型超聲脈沖反射儀（探頭頻率10MHz）測試試樣心部的超聲聲速（測試誤差≤3m/s），以3支平行試樣的平均值作為實驗結果。

2、結果與分析

2.1軋制對棒材超聲聲速的影響

2.1.1軋制變形量的影響

圖2是940℃軋制的φ12、φ16、φ25mmTC4鈦合金棒材橫向與縱向顯微組織。從圖2可以看出，軋制變形量不同時，棒材的顯微組織形態有一定差異。隨著變形量的增大，初生α相含量變化不明顯，但縱向拉長程度顯著增大且晶粒細化。這是由于軋制過程是多道次變形，每個道次都伴隨著棒材溫度的降低，變形量越大，軋制道次越多，溫降越明顯，故初生α相沿縱向拉長的程度就越明顯，且在變形過程中由于發生動態再結晶導致晶粒細化。同時可以看出，隨著變形量的增大，次生α相的形態也由平直的層片狀轉變為細碎的點狀。這是由于成品規格越大，變形量越小，軋制道次越少，軋制結束后溫度越高，次生α相主要在軋后冷卻過程中從α/β相界、β晶界或晶內高能缺陷處形核以層片狀形態析出并逐漸長大。但成品規格越小，軋制道次越多，軋制過程中伴隨的溫降也越明顯，上道次軋制結束后析出的層片狀次生α相會在下道次軋制過程中發生劇烈變形，經多個道次軋制變形后次生α相主要呈細碎的點狀分布。

表4是在940℃下經不同變形量軋制的φ12、φ16、φ25mmTC4鈦合金棒材的超聲聲速。從表4可以看出，隨著軋制變形量的增大，棒材超聲聲速逐漸降低。

這是因為超聲聲速大小與彈性模量呈正相關，而彈性模量反映材料的原子間結合力，受α/β相含量和形態的影響[6]。隨著軋制變形量的增大，TC4鈦合金棒材α/β相含量無明顯變化，但縱向α相拉長程度逐漸增強，彈性模量逐漸降低，超聲聲速也逐漸降低[13-14]。

2.1.2軋制溫度的影響

圖3是經900、940、980℃軋制的φ25mmTC4鈦合金棒材橫向與縱向顯微組織，其超聲聲速如表5所示。從圖3可以看出，隨著軋制溫度的升高，初生等軸α相含量逐漸降低，縱向拉長程度逐漸減弱，片層狀次生α相逐漸析出，且厚度逐漸增大。軋制溫度為900℃時，棒材初生等軸α相含量超過70%，縱向α相基本沿軋制方向呈拉長的流線分布；當軋制溫度提高到940℃時，初生等軸α相含量降低到30%~40%，縱向α相因相變和再結晶，沿軋制方向拉長程度明顯減輕，等軸性明顯提高；當軋制溫度提高到980℃時，初生等軸α相含量降低到15%以下且尺寸減小，縱向α相依然沿軋制方向分布，但基本呈等軸狀形態。

從表5可以看出，隨著軋制溫度的升高，棒材超聲聲速逐漸提高，從900℃軋制時的6110m/s逐漸提高到980℃軋制時的6162m/s，這是組織中α相含量減少和縱向等軸化綜合作用的結果。α相屬于密排六方結構，其彈性模量要高于體心立方結構的β相，因此超聲波在α相中的傳播速度要快于β相，即α相含量越高，超聲波的傳播速度越快[6-7]。故隨著軋制溫度的升高，初生α相含量逐漸降低，其超聲聲速理應逐漸降低。然而，彈性模量除了與α/β相含量有關外，也會受到α相晶體取向的影響，這是因為α相具有顯著的各向異性，鈦單晶垂直于基面方向的彈性模量為145GPa，但平行于基面方向的彈性模量僅為100GPa[13-14]。隨著軋制溫度的升高，縱向α相拉長程度逐漸減弱，其彈性模量逐漸提高，且提高幅度大于因α相含量降低造成的彈性模量損失，二者綜合作用導致棒材彈性模量逐漸提高，其超聲聲速逐漸提高。

2.2熱處理對棒材超聲聲速的影響

2.2.1固溶處理的影響

圖4為940℃軋制的φ25mmTC4鈦合金棒材經HT1~HT4固溶處理后的顯微組織，其超聲聲速如表6所示。從圖4可以看出，經940、970℃固溶處理后，棒材組織均為由一定量初生等軸α相＋β轉變組織組成的雙態組織，但經970℃固溶處理后初生等軸α相含量減少，次生α相含量增加，且與軋制態組織相比縱向α相的等軸性明顯提高。當固溶溫度繼續提高到1000℃時，TC4鈦合金棒材組織由雙態組織轉化為粗大β晶粒組成的魏氏組織，由于棒材規格較小，固溶冷卻速度快，無晶界α相析出但晶界清晰且較為平直。

圖4c、4d、4g、4h分別是經970℃固溶后空冷和水冷的橫向與縱向顯微組織，可以看出不同固溶冷卻方式下組織形態差異較大。固溶空冷后形成雙態組織，固溶水冷后的組織則是由少量未完全轉變的等軸α相＋過冷馬氏體＋殘留β相組成的。從表6可以看出，在固溶空冷條件下，隨著固溶溫度的升高，棒材超聲聲速逐漸提高，由940℃固溶時的6131m/s提高到970℃時的6140m/s；當固溶溫度進一步升高到1000℃時，超聲聲速提高到6170m/s，這與上文軋制溫度提高時超聲聲速變化的趨勢是一致的。

從表6還可以看出，固溶水冷棒材的超聲聲速遠低于固溶空冷棒材。這是因為鈦合金快速冷卻時形成了過冷馬氏體和殘留β相，其中馬氏體中的位錯、孿晶等缺陷密度較高，降低了原子間的結合力，導致彈性模量降低，同時水冷時殘留的β相屬于軟性相，在所有鈦合金相中彈性模量最低[6]，因而導致固溶水冷棒材的彈性模量明顯降低，超聲聲速低于空冷棒材。

2.2.2時效處理的影響

圖5是940℃軋制的φ25mmTC4鈦合金棒材經970℃固溶空冷或水冷＋不同時效處理后的顯微組織，其超聲聲速如表7所示。

從圖5可以看出，970℃固溶空冷棒材經500、600、650℃3種不同溫度時效處理后，初生等軸α相的含量和形態變化不大，但次生α相的含量和形貌有一定差異。500℃時效處理時大量的次生α相從α/β相界、β晶界或β晶內高能缺陷處析出并逐漸長大呈集束狀分布，由于時效溫度低，驅動力大，次生α相含量較高。但當時效溫度逐漸提高時，次生α相長大驅動力不足，殘留的α穩定元素未完全析出并轉變為次生α相，導致時效溫度越高次生α相含量越低。固溶水冷棒材經500℃時效處理時，馬氏體組織逐漸分解形成極細小的次生α相，導致棒材彈性模量逐漸提高。

從表7可以看出，相較于固溶處理，經過時效處理后的TC4鈦合金棒材超聲聲速都有所提高，且時效溫度越低超聲聲速提高越多。這是因為時效處理使得棒材固溶空冷過程中未完全析出的α穩定元素以次生α相的形態逐漸析出，提高了整體的彈性模量，進而提高了超聲聲速水平，但時效溫度提高會抑制次生α相的析出，從而導致超聲聲速提高幅度有限。固溶水冷棒材經時效處理后超聲聲速變化最明顯，從固溶時的6105m/s提高到6168m/s，這與固溶空冷＋時效處理（HT5）的棒材超聲聲速水平相當。

2.2.3三重熱處理的影響

圖6是940℃軋制的φ25mmTC4鈦合金棒材經三重熱處理后的顯微組織，其超聲聲速如表8所示。從圖6可以看出，與固溶＋時效后的組織相比，經三重熱處理后的組織是由一定量的初生等軸α相＋粗的次生片層α相＋片層α相間“三生”α相組成的三態組織構成，且整體α相含量更高，次生片層α相明顯長大粗化，故整體的彈性模量要高于固溶＋時效組織，導致棒材超聲聲速提高了10~20m/s。此外，三重熱處理時第一重固溶冷卻方式對最終組織形態和超聲聲速也有明顯影響。

固溶水冷棒材的等軸α相含量與固溶空冷基本相當，但次生α相分布更加混亂且更多更細，導致其超聲聲速比固溶空冷棒材高出10m/s。這是因為970℃固溶水冷形成了過冷馬氏體，同時組織中積累了大量的位錯和層錯能，導致在第二重930℃熱處理時由于次生α相的形核位置多且長大驅動力大，析出了大量混亂交織的次生α相，在第三重500℃時效處理時殘留的α穩定元素以極細的“三生”α相形態逐漸析出，導致整體α相含量高于固溶空冷棒材，因而固溶水冷棒材超聲聲速較高。

從以上研究可以看出，軋制和熱處理工藝都對TC4鈦合金棒材超聲聲速有明顯的影響，為獲得理想的超聲聲速，可以通過調整軋制或熱處理工藝參數來實現。例如要獲得較高的超聲聲速，可以通過高溫小變形量軋制結合三重熱處理來實現。

3、結論

(1)軋制溫度和軋制變形量對TC4鈦合金棒材超聲聲速影響很大，當軋制溫度從900℃升高到980℃時，超聲聲速從6110m/s提高到6162m/s，當軋制變形量從69.14%增加到92.89%時，超聲聲速從6136m/s降低到6093m/s。

(2)隨著固溶溫度的升高和時效溫度的降低，TC4鈦合金棒材的超聲聲速逐漸升高。當固溶溫度在970℃，時效溫度在500℃時，經固溶時效熱處理后超聲聲速最高可達6170m/s左右。

(3)與固溶時效處理相比，經三重熱處理后TC4鈦合金棒材的超聲聲速更高，最高可達6190m/s，第一重熱處理采用水冷的棒材最終超聲聲速高于采用空冷的棒材。

(4)通過調整軋制和熱處理工藝參數，可以實現TC4鈦合金棒材超聲聲速的控制。

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