鈦及鈦合金以其優(yōu)異的性能廣泛應(yīng)用于航空航天、航海、軍用裝備、醫(yī)療器械等尖端科學(xué)領(lǐng)域，被譽(yù)為“第三金屬”和“戰(zhàn)略金屬”。例如鈦及鈦合金因其強(qiáng)度高、比重小、生物相容性好和優(yōu)良的綜合力學(xué)性能等被越來(lái)越多地應(yīng)用于外科植入領(lǐng)域。但純鈦強(qiáng)度低，無(wú)法用于制作人體髖關(guān)節(jié)、接骨釘和螺釘?shù)雀邚?qiáng)度承力構(gòu)件。為提高強(qiáng)度和耐磨性，在純鈦金屬中加入合金元素從而得到鈦合金，如Ti-6Al-4V。
外科植入鈦合金出于醫(yī)療安全考慮，對(duì)于材料內(nèi)在品質(zhì)要求苛刻。要獲得更為可靠安全的Ti-6Al-4V鈦合金板，在材料的鍛造軋制等加工環(huán)節(jié)必須進(jìn)行嚴(yán)格的工藝控制，使其獲得較為理想、均勻的細(xì)晶粒組織，提高臨床抗疲勞壽命。本文通過(guò)比對(duì)不同的加工方式，研究Ti-6Al-4V鈦合金板材在鍛造、軋制熱、加工過(guò)程中的組織演變，并進(jìn)行分析評(píng)估，為制備生產(chǎn)高品質(zhì)Ti-6Al-4V鈦合金板奠定技術(shù)基礎(chǔ)并提供工藝?yán)碚撘罁?jù)。
1、實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)選用620mm三次真空自耗電弧熔煉(VAR)TC4鑄錠，通過(guò)測(cè)定，可知材料相變點(diǎn)為982℃。其化學(xué)成分見(jiàn)表1。
將鑄錠沿長(zhǎng)度方向鋸切成兩等分，作為本實(shí)驗(yàn)后續(xù)鍛造及軋制熱加工的錠坯，然后對(duì)錠坯進(jìn)行2種不同形式的鍛造及多火次換向軋制，并進(jìn)行金相組織分析。按體積比HF：HNO3：H2O=1：3：10的酸配比進(jìn)行腐蝕實(shí)驗(yàn)，采用BX51Olympus金相顯微鏡進(jìn)行金相分析。
2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
對(duì)板厚δ=180mm的錠坯進(jìn)行常規(guī)鍛造及多火次換向軋制后，材料內(nèi)部組織演變?nèi)鐖D1所示。
采用常規(guī)鍛造的板坯為網(wǎng)籃組織，多火次換向軋制后，組織破碎成桿狀并伴有扭曲，最終獲得等軸與少量條狀組織。采用墩拔鍛造的板坯為雙態(tài)組織，一火軋制后獲得“雙套組織”-粗等軸加細(xì)等軸(次生α相破碎成細(xì)等軸或者橢圓短桿狀)，二火換向軋制后獲得“三套組織”-粗等軸加少量細(xì)等軸加沿軋制方向長(zhǎng)條狀(初生α相略有長(zhǎng)大，更加圓整，次生相在熱軋變形過(guò)程中破碎)。由于板材熱軋減薄變形過(guò)程中，金屬塑性流動(dòng)具有“各向異性”的特點(diǎn)，(α+β)兩相區(qū)的熱變形呈現(xiàn)一個(gè)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程。細(xì)片層α相在熱變形過(guò)程中破碎、球化。相對(duì)于細(xì)片層組織，初生等軸α相在熱變形應(yīng)力作用下，很難破碎分解成更細(xì)小的等軸組織，這也導(dǎo)致常規(guī)鍛造坯料的前兩火次軋制所獲得初生相更為細(xì)小。
3、結(jié)果分析
在制作δ=180mm板坯的鍛造環(huán)節(jié)，采用常規(guī)鍛造后Ti-6Al-4V鈦合金獲得典型網(wǎng)籃組織，即(α+β)相。由于在板坯內(nèi)晶向不同，在后續(xù)大變形換向軋制過(guò)程中，片層α相在外力作用下被打斷，逐步變成長(zhǎng)桿狀、短桿狀，如圖2所示。同時(shí)，換向軋制使板坯組織發(fā)生橫向與縱向交替變換。在外力作用下，片層α相被打斷、破碎并伴隨扭曲彎折變形，直至最后變成球狀。如圖1所示的組織演變過(guò)程中，伴有少量沿著軋制方向的細(xì)桿狀α相。
相比常規(guī)鍛造，換向墩拔鍛造實(shí)現(xiàn)了三維立體的熱塑性變形，鍛透性好，條狀α相被破碎，獲得“初生等軸α相+次生條狀轉(zhuǎn)變?chǔ)?β相”的雙態(tài)組織，在后續(xù)多火次大變形換向軋制過(guò)程中，組織演變可以分為兩個(gè)階段：
1)次生條狀轉(zhuǎn)變(α+β)相。在熱塑性變形時(shí)，條狀α相組織晶粒發(fā)生圖3(b)中從②至④的演變，逐步被外力作用破碎成細(xì)小顆粒狀，根據(jù)板材軋制塑性變形情況及受力特點(diǎn)，有些位向的α相沿軋制方向發(fā)生擠壓拉長(zhǎng)，即圖1(e)、(f)所示。
2)相對(duì)于次生條狀轉(zhuǎn)變(α+β)相，初生等軸相由于晶粒尺寸大、等軸性好，在單向擠壓熱塑性軋制變形過(guò)程中，晶粒分解破碎較為遲緩，需要更大程度的塑性變形才能使其進(jìn)一步破碎成更為細(xì)小的等軸狀僅相，并在外力作用下，沿著軋制方向發(fā)生一定程度的擠壓拉長(zhǎng)，形成圖1(e)、(f)中的組織形貌。圖1(g)、(h)所示為進(jìn)一步換向軋制塑性變形時(shí)，等軸狀相組織品粒進(jìn)一步破碎為更細(xì)小晶粒。綜上分析，Ti-6Al-4V鈦合金板材在經(jīng)過(guò)換向墩拔、多次火軋后可獲得組織均勻、晶粒細(xì)化的等軸相組織，有利于提高Ti-6Al-4V鈦合金綜合力學(xué)性能。
4、結(jié)論
1)通過(guò)對(duì)鈦合金進(jìn)行常規(guī)鍛造，獲得的板坯顯微組織為(α+β)網(wǎng)籃組織，晶界有連續(xù)α相；換向墩拔鍛造后可獲得“初生等軸α相+次生條狀轉(zhuǎn)變(α+β)相”的雙態(tài)組織。
2)常規(guī)鍛造后的板坯組織被逐步拉長(zhǎng)、破碎，隨著變形加大，最后可轉(zhuǎn)變?yōu)椤暗容Sα相+細(xì)短桿α相”組織；墩拔鍛造板坯經(jīng)多火次軋制后，隨著變形量加大，原始雙態(tài)組織(等軸α相及轉(zhuǎn)變(α+β)相)被破碎并細(xì)化，逐步演變成完全等軸α相，組織均勻性良好。
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