鈦（Ti）及其合金憑借高比強度、卓越的耐腐蝕性、寬廣的使用溫度范圍以及優(yōu)良的焊接性等在航空航天、船舶、軍事及生物醫(yī)學等眾多高性能和先進的工程領域中得到了廣泛應用 [4]。BT22 鈦合金，即中國牌號為TC18的鈦合金，由蘇聯(lián)于 20 世紀 60 年代開發(fā)，其名義成分為 Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe。TC18鈦合金作為一種近 β 型鈦合金，具備高強高韌、良好的淬透性和高退火強度等特點，使其成為航空領域大型承力構件制造的優(yōu)選材料之一 [5]。

隨著航空工業(yè)的迅猛發(fā)展，對于鈦合金航空承力結構件的要求日益嚴格，整體化、大型化的結構件成為其未來的發(fā)展趨勢。這種整體成型的工件不僅能夠有效簡化生產(chǎn)制造流程，降低生產(chǎn)成本，而且對于保證鈦合金構件的結構完整性具有重要意義 [6]。在此背景下，大尺寸原始材料的制造以及對其性能的精準把控面臨著更高的要求。

目前，眾多學者圍繞TC18鈦合金的鍛造工藝、熱變形參數(shù)及組織性能等方面進行了廣泛研究。喬恩利等 [11] 針對不同鍛造工藝對TC18鈦合金棒材組織和性能的影響展開了深入探討；顏孟奇等 [12] 研究了熱變形參數(shù)對直徑 300mm 的TC18鈦合金棒材組織及織構演變規(guī)律；熊智豪等 [13] 則對胚料 585mmTC18鈦合金棒材在不同火次鍛造過程中 β 相織構的演變規(guī)律進行了分析。然而，大尺寸棒材在生產(chǎn)過程中普遍存在組織均勻性與力學性能穩(wěn)定性難以精確控制的技術難題，且由于尺寸效應的存在，300/585mm 棒材的研究成果無法通過簡單外推直接應用于 400mm 規(guī)格棒材的工藝優(yōu)化。

為此，本文利用掃描電子顯微鏡觀察 400mm 大尺寸TC18鈦合金棒材芯表橫縱 4 個位置的顯微組織，并對其拉伸性能進行測試，同時對斷口及斷口剖面進行表征分析。通過系統(tǒng)地研究TC18鈦合金組織 — 性能 — 斷口的匹配關系，旨在為優(yōu)化大尺寸棒材TC18鈦合金的組織和性能提供有價值的參考依據(jù)，以滿足航空工業(yè)對大型化、高性能鈦合金承力結構件的需求。

1、實驗材料與方法

實驗材料為鍛造態(tài)TC18鈦合金棒材，直徑為 400mm。棒材經(jīng)熔煉和多火次鍛造而成，TC18鈦合金化學成分如表 1 所示，β 轉變溫度T_β=(±875+5)℃

通過線切割分別對棒材芯表位置的橫縱方向取樣（圖 1），進行組織觀察和拉伸性能測試。邊緣試樣的取樣位置距離棒材的最外表面約 20mm，芯部試樣在以棒材幾何中心為圓心、半徑 80mm 的區(qū)域內(nèi)取樣。

拉伸試驗參照 GB/T228.1-2021《金屬材料拉伸試驗 第 1 部分：室溫試驗方法》在 MTS LANDMARK 萬能試驗機上進行，拉伸速率為 0.45mm/min。后續(xù)對拉伸試樣剖面也進行了顯微組織觀測。試樣經(jīng)砂紙打磨、拋光和腐蝕（腐蝕劑體積比為 HF:HNO₃:H₂O=1:3:6），采用德國蔡司的 ZEISS SURPA 40 型號場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）進行顯微組織、斷口及其剖面的觀察。

表 1TC18鈦合金化學成分

（Tab.1 Chemical composition of theTC18titanium alloy）

（mass fraction/%）

元素	Al	Mo	V	Cr	Ti
質量分數(shù)	5.25	5.2	5.1	1.1	Bal.

2、實驗結果與討論

2.1 顯微組織特點

圖 2 顯示了邊橫（ET）、邊縱（EL）、中橫（CT）和中縱（CL）4 種不同取樣位置的 SEM 像。從圖中可以看出，不同試樣的顯微組織十分接近，均由等軸狀的初生α_p相、細小針狀的次生α_s相以及 β 基體組成。其中，α_p和α_s相均勻分布在 β 基體中，從形貌圖中沒有觀察到析出相有明顯的形貌和尺寸差異（圖 2）。

表 2 列出了各試樣相應微觀結構的定量特征。對于α_p相，相對于取向為橫向的試樣（ET、CT），取向為縱向（EL、CL）的試樣中等軸α_p相含量的絕對體積分數(shù)均增加約 5 個百分點（達到 30% 左右的體積分數(shù)），直徑相差不到 0.25μm。對于α_s相，邊緣試樣的長度和寬度均小于芯部試樣，分別相差約 100nm 和 21nm。此外，基體中的α（α_p、α_s）相呈均勻分布。

表 2 微結構定量尺寸參數(shù)

（Tab.2 Quantitative parameters of the microstructure）

試樣	αp/ %	Average size ofαp/ μm	Average length ofαs/ nm	Average width ofαs/ nm
ET	25.289	2.923	89.7	0.73
EL	30.168	2.826	71.8	0.71
CT	25.796	2.736	98.5	0.83
CL	30.542	2.689	82.3	0.87

2.2 拉伸性能

對TC18鈦合金 4 種試樣進行拉伸性能測試，合金拉伸試驗的工程應力 - 應變曲線和相應的拉伸性能如圖 3（a~c）和表 3 所示。

ET 試樣顯示出較高的強度（屈服強度為 1142MPa，抗拉強度為 1230MPa）和略低的塑性（伸長率為 10.2%，斷面收縮率為 22±4%），這是因為其細小片層α_s相的強化作用。EL 試樣強度和塑性分別為：屈服強度 1105MPa，抗拉強度 1191MPa，伸長率 14.9%，斷面收縮率 38.4%。可以看出邊緣試樣塑性 EL 比 ET 高（伸長率相差 4.7%），而 ET 比 EL 試樣屈服強度約高 37MPa。

同樣，CT 試樣比 CL 試樣屈服強度高約 15MPa（CT 為 1089±21MPa，CL 為 1075±15MPa），伸長率相差 6.3%（CT 為 10.9±1.5%，CL 為 16.5±1.7%）。值得注意的是，邊部試樣的強度均比芯部試樣高，而縱向試樣的塑性整體明顯比橫向試樣高，可能歸因于縱向試樣等軸α_p相含量較高 [15]。

表 3 不同位置TC18鈦合金的力學性能

（Tab.3 The mechanical properties of theTC18titanium alloy at different positions）

試樣	YS / MPa	UTS / MPa	El / %	RA / %
ET	1142±18	1230±21	10.2±1.2	22±4
EL	1105±16	1191±15	14.9±1.4	38.4±3.2
CT	1089±21	1179±19	10.9±1.5	25.3±2.8
CL	1075±15	1159±13	16.5±1.7	42.1±3.5

2.3 斷口形貌

根據(jù)上述拉伸性能的結果，對 4 種試樣斷口形貌進行表征，如圖 4 所示。其中，a₁、b₁、c₁、d₁為斷口低倍宏觀形貌；a₂、b₂、c₂、d₂為中心區(qū)域（黃框）高倍形貌；a₃、b₃、c₃、d₃為邊緣區(qū)域（紅框）高倍形貌。

從圖中可以看出，4 種試樣斷口均由大量韌窩組成，為典型的韌性斷裂。圖 4a₁中 ET 試樣斷口呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，存在明顯的高低起伏區(qū)域，但其中心區(qū)域由大量韌窩組成（圖 4a₂），不規(guī)則的韌窩分布和應力集中形成的空洞是其塑性差的主要原因 [17]。CT 試樣斷口有大量韌窩，不均勻變形導致稀疏分布的空洞形成，成為裂紋的萌生點（圖 4c₂）。

由圖 4b₁和 d₁可知，明顯的頸縮和曲折的斷口形貌證明 EL 和 CL 試樣斷裂前經(jīng)歷大量的塑性變形。結合高倍圖 4b₃和 d₃觀察，可看到 EL 和 CL 試樣剪切唇區(qū)域剪切拉長的韌窩。圖 4b₂和 d₂表明，與 ET 和 CT 試樣不同，EL 和 CL 并沒有明顯成核質點，僅由大量均勻分布的韌窩和其生長、合并的較大凹坑組成，表明其良好的塑性表現(xiàn)歸因于均勻的變形。

2.4 剖面組織

如圖 5 所示，對強塑性相差較大的 CL 和 ET 試樣進行剖面表征，以進一步研究試樣的斷裂機制及組織對強塑性的影響規(guī)律。眾所周知，應變失配和應力集中是裂紋擴展的根源，這是由于應變失配和應力集中會驅動空隙或微裂紋的形成。

由圖 5a~c 可得出，CL 試樣中空洞的形成主要有 3 種：①等軸α_p相內(nèi)部應力集中及載荷作用下滑移帶相互交叉而形成 [19-20]；②在α_p相與 β 相界面處，由于α_p相與 β 相的硬度和變形優(yōu)先級的差異導致大量位錯塞積后應力集中而形成空洞 [7]；③硬質α_s相會嚴重阻礙位錯的運動，進而導致位錯塞積后應力集中而形成空洞。在變形過程中，裂紋起源于空位并沿著空隙擴大，最終導致拉伸過載發(fā)生斷裂。

與 CL 試樣相比，ET 試樣空洞的產(chǎn)生主要是第②和第③種方式（圖 5d~f）。此外，TC18鈦合金中α_p相對應較高的塑性及疲勞性能，α_s相一般為細小針狀，主要起到析出強化作用 [21-22]。結合表 2，CL 試樣的α_p相體積分數(shù)比 ET 試樣高約 5%，但 ET 試樣的α_s相更為細小。因此，細小硬質的α_s相和獨特的空洞產(chǎn)生方式使 ET 試樣具有更高的強度，更高占比的等軸α_p相和綜合的空洞產(chǎn)生方式使 CL 試樣的強塑性獲得優(yōu)異的匹配。

3、結論

（1）400mmTC18鈦合金棒材不同位置試樣均由等軸α_p相、片層α_s相和 β 相組成，等軸α_p相和片層α_s相均勻分布在 β 相中，兩相尺寸相差較小；縱向試樣（EL、CL）等軸α_p相含量比橫向試樣（ET、CT）高約 5%，邊緣試樣（ET、EL）片狀α_s相的長度和寬度均小于芯部試樣（CT、CL）。

（2）棒材邊緣試樣強度均比芯部試樣高，其中 ET 試樣強度最高（抗拉強度達到 1230MPa）；縱向試樣塑性均比橫向試樣高，其中 CL 試樣伸長率最高（16.5%）；EL 試樣的強塑性匹配最好（屈服強度 1105MPa，抗拉強度 1191MPa，伸長率 14.9%）。

（3）所有試樣斷口均由大量韌窩組成，發(fā)生韌性斷裂；應力集中導致部分成核質點和微裂紋的存在，造成橫向試樣（ET、CT）塑性較差；斷口剖面中發(fā)現(xiàn)等軸α_p相內(nèi)、α_p相與 β 相界面處和 β 相內(nèi)部 3 種空洞形核位點。

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（注，原文標題：高強鈦合金大尺寸棒材芯表橫縱的組織與性能研究）

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