鈦及鈦合金以其優異的性能廣泛應用于航空航天、航海、軍用裝備、醫療器械等尖端科學領域，被譽為“第三金屬”和“戰略金屬”。例如鈦及鈦合金因其強度高、比重小、生物相容性好和優良的綜合力學性能等被越來越多地應用于外科植入領域。但純鈦強度低，無法用于制作人體髖關節、接骨釘和螺釘等高強度承力構件。為提高強度和耐磨性，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療安全考慮，對于材料內在品質要求苛刻。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節必須進行嚴格的工藝控制，使其獲得較為理想、均勻的細晶粒組織，提高臨床抗疲勞壽命。本文通過比對不同的加工方式，研究Ti-6Al-4V鈦合金板材在鍛造、軋制熱、加工過程中的組織演變，并進行分析評估，為制備生產高品質Ti-6Al-4V鈦合金板奠定技術基礎并提供工藝理論依據。

1、實驗方法

實驗選用620mm三次真空自耗電弧熔煉(VAR)TC4鑄錠，通過測定，可知材料相變點為982℃。其化學成分見表1。

將鑄錠沿長度方向鋸切成兩等分，作為本實驗后續鍛造及軋制熱加工的錠坯，然后對錠坯進行2種不同形式的鍛造及多火次換向軋制，并進行金相組織分析。按體積比HF：HNO₃：H₂O=1：3：10的酸配比進行腐蝕實驗，采用BX51Olympus金相顯微鏡進行金相分析。

2、實驗結果

對板厚δ=180mm的錠坯進行常規鍛造及多火次換向軋制后，材料內部組織演變如圖1所示。

采用常規鍛造的板坯為網籃組織，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組織，一火軋制后獲得“雙套組織”-粗等軸加細等軸(次生α相破碎成細等軸或者橢圓短桿狀)，二火換向軋制后獲得“三套組織”-粗等軸加少量細等軸加沿軋制方向長條狀(初生α相略有長大，更加圓整，次生相在熱軋變形過程中破碎)。由于板材熱軋減薄變形過程中，金屬塑性流動具有“各向異性”的特點，(α+β)兩相區的熱變形呈現一個動態再結晶過程。細片層α相在熱變形過程中破碎、球化。相對于細片層組織，初生等軸α相在熱變形應力作用下，很難破碎分解成更細小的等軸組織，這也導致常規鍛造坯料的前兩火次軋制所獲得初生相更為細小。

3、結果分析

在制作δ=180mm板坯的鍛造環節，采用常規鍛造后Ti-6Al-4V鈦合金獲得典型網籃組織，即(α+β)相。由于在板坯內晶向不同，在后續大變形換向軋制過程中，片層α相在外力作用下被打斷，逐步變成長桿狀、短桿狀，如圖2所示。同時，換向軋制使板坯組織發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所示的組織演變過程中，伴有少量沿著軋制方向的細桿狀α相。

相比常規鍛造，換向墩拔鍛造實現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+次生條狀轉變α+β相”的雙態組織，在后續多火次大變形換向軋制過程中，組織演變可以分為兩個階段：

1)次生條狀轉變(α+β)相。在熱塑性變形時，條狀α相組織晶粒發生圖3(b)中從②至④的演變，逐步被外力作用破碎成細小顆粒狀，根據板材軋制塑性變形情況及受力特點，有些位向的α相沿軋制方向發生擠壓拉長，即圖1(e)、(f)所示。

2)相對于次生條狀轉變(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一步破碎成更為細小的等軸狀僅相，并在外力作用下，沿著軋制方向發生一定程度的擠壓拉長，形成圖1(e)、(f)中的組織形貌。圖1(g)、(h)所示為進一步換向軋制塑性變形時，等軸狀相組織品粒進一步破碎為更細小晶粒。綜上分析，Ti-6Al-4V鈦合金板材在經過換向墩拔、多次火軋后可獲得組織均勻、晶粒細化的等軸相組織，有利于提高Ti-6Al-4V鈦合金綜合力學性能。

4、結論

1)通過對鈦合金進行常規鍛造，獲得的板坯顯微組織為(α+β)網籃組織，晶界有連續α相；換向墩拔鍛造后可獲得“初生等軸α相+次生條狀轉變(α+β)相”的雙態組織。

2)常規鍛造后的板坯組織被逐步拉長、破碎，隨著變形加大，最后可轉變為“等軸α相+細短桿α相”組織；墩拔鍛造板坯經多火次軋制后，隨著變形量加大，原始雙態組織(等軸α相及轉變(α+β)相)被破碎并細化，逐步演變成完全等軸α相，組織均勻性良好。

參考文獻：

[1]安成鋼．異步熱軋及熱處理對鈦及鈦合金組織性能的影響[D]．沈陽：東北大學，2014．

[2]李獻軍，王鎬，李成鋼，等．外科植入物用鈦及其合金的研發與應用[c]//中國有色金屬工業協會鈦鋯鉿分會2014年年會論文集．大連：中國有色金屬工業協會鈦鋯鉿分會，2014：66．

[3]繆衛東，陳桂，袁志山，等．我國生物鈦合金功能材料發展現狀及趨勢[J]．新材料產業，2013(2)：7—11．

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