TC4钛合金是一种典型的两相钛合金
，拥有高强度、高比强度和低弹性模量蹬着异个性
，除在航空航天工业中作为沉要的结构资料表
，在生物医疗领域也得到宽泛的利用[1-3]
，如用于造作医用超声刀[4]。超声刀因拥有切割正确、止血急剧蹬着点被宽泛利用于表科手术中[5]。为保障超声刀使用的不变性
，要求原资料TC4钛合金棒材的超声声速节造在肯定的领域
，且颠簸性越幼越好。超声波在资猜中的传布速杜纂资料的显微组织状态息息有关[6-7]
，而钛合金的显微组织状态除受到合金成分的影响表
，重要是由加工工艺决定的
，因而加工工艺对钛合金超声声速有显著的影响。郑想庆等[7]钻研了相变点左近单沉热处置对φ30mmTC4钛合金精锻棒材超声声速的影响
，时靖等[8]钻研了铸造温度和变形量对TC4钛合金锻件超声声速的影响
，李运等[9]钻研了精锻温度、变形量及热处置造度对Ti7Al4Mo合金超声声速的影响。对于TC4钛合金棒材
，除了必要进行通例的退火处置、固溶时效处置表
，有时还必要进行三沉热处置[10-12]
，而关于轧造和多沉热处置工艺对TC4钛合金棒材超声声速的影响尚未见报路。

以TC4钛合金轧造棒材为例
，钻研了轧造工艺、固溶时效热处置和三沉热处置工艺对棒材超声声速的影响
，以期为实现TC4钛合金轧造棒材超声声速的节造提供参考。

1、尝试

1.1尝试资料

尝试所用资料为西部超导资料科技股份有限公司出产的φ45mmTC4钛合金棒坯
，其化学成分见表1
，相变点温度为995℃。棒坯显微组织为典型的双态组织
，如图1所示。

1.2步骤与设备

在φ45mmTC4钛合金棒坯上切取等长度的轧造坯料
，依照表2所示规划进行棒材轧造
，得到规格别离为φ12、φ16、φ25mm的TC4钛合金棒材。

在940℃轧造的φ25mmTC4钛合金棒材上切取热处置试样
，依照表3所示规划进行固溶、固溶时效以及三沉热处置试验。

在轧造棒材和热处置后试样的心部切取金相试样
，经研磨、抛光、侵蚀后
，选取光学显微镜进行组织观察
，并利用Image-ProPlus5.0图像分析软件统计α相含量。选取CL400型超声脉冲反射仪（探头频率10MHz）测试试样心部的超声声速（测试误差≤3m/s）
，以3支平行试样的均匀值作为尝试了局。

2、了局与分析

2.1轧造对棒材超声声速的影响

2.1.1轧造变形量的影响

图2是940℃轧造的φ12、φ16、φ25mmTC4钛合金棒材横向与纵向显微组织。从图2能够看出
，轧造变形量分歧时
，棒材的显微组织状态有肯定差距。随着变形量的增大
，初生α相含量变动不显著
，但纵向拉长水平显著增大且晶粒细化。这是由于轧造过程是多路次变形
，每个路次都陪伴着棒材温度的降低
，变形量越大
，轧造路次越多
，温降越显著
，故初生α相沿纵向拉长的水平就越显著
，且在变形过程中由于产活泼态再结晶导致晶粒细化。同时能够看出
，随着变形量的增大
，次生α相的状态也由平直的层片状转变为细碎的点状。这是由于制品规格越大
，变形量越幼
，轧造路次越少
，轧造实现后温度越高
，次生α相重要在轧后冷却过程中从α/β相界、β晶界或晶内高能缺点处形核以层片状状态析出并逐步长大。但制品规格越幼
，轧造路次越多
，轧造过程中伴随的温降也越显著
，上路次轧造实现后析出的层片状次生α相会鄙人路次轧造过程中产生剧烈变形
，经多个路次轧造变形后次生α相重要呈细碎的点状散布。

表4是在940℃下经分歧变形量轧造的φ12、φ16、φ25mmTC4钛合金棒材的超声声速。从表4能够看出
，随着轧造变形量的增大
，棒材超声声速逐步降低。

这是由于超声声速大幼与弹性模量呈正有关
，而弹性模量反映资料的原子间结合力
，受α/β相含量和状态的影响[6]。随着轧造变形量的增大
，TC4钛合金棒材α/β相含量无显著变动
，但纵向α相拉长水平逐步加强
，弹性模量逐步降低
，超声声速也逐步降低[13-14]。

2.1.2轧造温度的影响

图3是经900、940、980℃轧造的φ25mmTC4钛合金棒材横向与纵向显微组织
，其超声声速如表5所示。从图3能够看出
，随着轧造温度的升高
，初生等轴α相含量逐步降低
，纵向拉长水平逐步减弱
，片层状次生α相逐步析出
，且厚度逐步增大。轧造温度为900℃时
，棒材初生等轴α相含量超过70%
，纵向α相根基沿轧造方向呈拉长的流线散布；当轧造温度提高到940℃时
，初生等轴α相含量降低到30%~40%
，纵向α相因相变和再结晶
，沿轧造方向拉长水平显著减轻
，等轴性显著提高；当轧造温度提高到980℃时
，初生等轴α相含量降低到15%以下且尺寸减幼
，纵向α相依然沿轧造方向散布
，但根基呈等轴状状态。

从表5能够看出
，随着轧造温度的升高
，棒材超声声速逐步提高
，从900℃轧造时的6110m/s逐步提高到980℃轧造时的6162m/s
，这是组织中α相含量削减和纵向等轴化综合作用的了局。α相属于密排六方结构
，其弹性模量要高于体心立方结构的β相
，因而超声波在α相中的传布速度要快于β相
，即α相含量越高
，超声波的传布速度越快[6-7]。故随着轧造温度的升高
，初生α相含量逐步降低
，其超声声速理当逐步降低。然而
，弹性模量除了与α/β相含量有关表
，也会受到α相晶体取向的影响
，这是由于α相拥有显著的各向异性
，钛单晶垂直于基面方向的弹性模量为145GPa
，但平行于基面方向的弹性模量仅为100GPa[13-14]。随着轧造温度的升高
，纵向α相拉长水平逐步减弱
，其弹性模量逐步提高
，且提高幅度大于因α相含量降低造成的弹性模量损失
，二者综合作用导致棒材弹性模量逐步提高
，其超声声速逐步提高。

2.2热处置对棒材超声声速的影响

2.2.1固溶处置的影响

图4为940℃轧造的φ25mmTC4钛合金棒材经HT1~HT4固溶处置后的显微组织
，其超声声速如表6所示。从图4能够看出
，经940、970℃固溶处置后
，棒材组织均为由肯定量初生等轴α相＋β转变组织组成的双态组织
，但经970℃固溶处置后初生等轴α相含量削减
，次生α相含量增长
，且与轧造态组织相比纵向α相的等轴性显著提高。当固溶温度持续提高到1000℃时
，TC4钛合金棒材组织由双态组织转化为粗壮β晶粒组成的魏氏组织
，由于棒材规格较幼
，固溶冷却速度快
，无晶界α相析出但晶界清澈且较为平直。

图4c、4d、4g、4h别离是经970℃固溶后空冷和水冷的横向与纵向显微组织
，能够看出分歧固溶冷却方式下组织状态差距较大。固溶空冷后形成双态组织
，固溶水冷后的组织则是由少量未齐全转变的等轴α相＋过冷马氏体＋残留β相组成的。从表6能够看出
，在固溶空冷前提下
，随着固溶温度的升高
，棒材超声声速逐步提高
，由940℃固溶时的6131m/s提高到970℃时的6140m/s；当固溶温度进一步升高到1000℃时
，超声声速提高到6170m/s
，这与上文轧造温度提高时超声声速变动的趋向是一致的。

从表6还能够看出
，固溶水冷棒材的超声声速远低于固溶空冷棒材。这是由于钛合金急剧冷却时形成了过冷马氏体和残留β相
，其中马氏体中的位错、孪晶等缺点密度较高
，降低了原子间的结合力
，导致弹性模量降低
，同时水冷时残留的β相属于软性相
，在所有钛合金相中弹性模量最低[6]
，因而导致固溶水冷棒材的弹性模量显著降低
，超声声速低于空冷棒材。

2.2.2时效处置的影响

图5是940℃轧造的φ25mmTC4钛合金棒材经970℃固溶空冷或水冷＋分歧时效处置后的显微组织
，其超声声速如表7所示。

从图5能够看出
，970℃固溶空冷棒材经500、600、650℃3种分歧温度时效处置后
，初生等轴α相的含量和状态变动不大
，但次生α相的含量和描摹有肯定差距。500℃时效处置时大量的次生α相从α/β相界、β晶界或β晶内高能缺点处析出并逐步长大呈集束状散布
，由于时效温度低
，驱动力大
，次生α相含量较高。但其时效温度逐步提高时
，次生α相长大驱动力不及
，残留的α不变元素未齐全析出并转变为次生α相
，导致时效温度越高次生α相含量越低。固溶水冷棒材经500℃时效处置时
，马氏体组织逐步分化形成极藐幼的次生α相
，导致棒材弹性模量逐步提高。

从表7能够看出
，相较于固溶处置
，经过期效处置后的TC4钛合金棒材超声声速都有所提高
，且时效温度越低超声声速提高越多。这是由于时效处置使得棒材固溶空冷过程中未齐全析出的α不变元素以次生α相的状态逐步析出
，提高了整体的弹性模量
，进而提高了超声声速水平
，但时效温度提高会抑造次生α相的析出
，从而导致超声声速提高幅杜仔限。固溶水冷棒材经时效处置后超声声速变动最显著
，从固溶时的6105m/s提高到6168m/s
，这与固溶空冷＋时效处置（HT5）的棒材超声声速水平相当。

2.2.3三沉热处置的影响

图6是940℃轧造的φ25mmTC4钛合金棒材经三沉热处置后的显微组织
，其超声声速如表8所示。从图6能够看出
，与固溶＋时效后的组织相比
，经三沉热处置后的组织是由肯定量的初生等轴α相＋粗的次生片层α相＋片层α相间“三生”α相组成的三态组织组成
，且整体α相含量更高
，次生片层α相显著长大粗化
，故整体的弹性模量要高于固溶＋时效组织
，导致棒材超声声速提高了10~20m/s。此表
，三沉热处置时第一沉固溶冷却方式对最终组织状态和超声声速也有显著影响。

固溶水冷棒材的等轴α相含量与固溶空冷根基相当
，但次生α相散布越发混乱且更多更细
，导致其超声声速比固溶空冷棒材逾越10m/s。这是由于970℃固溶水冷形成了过冷马氏体
，同时组织中堆集了大量的位错和层错能
，导致在第二沉930℃热处置时由于次生α相的形核地位多且长大驱动力大
，析出了大量混乱交错的次生α相
，在第三沉500℃时效处置时残留的α不变元素以极细的“三生”α相状态逐步析出
，导致整体α相含量高于固溶空冷棒材
，因而固溶水冷棒材超声声速较高。

从以上钻研能够看出
，轧造和热处置工艺都对TC4钛合金棒材超声声速有显著的影响
，为获得梦想的超声声速
，能够通过调整轧造或热处置工艺参数来实现。例如要获得较高的超声声速
，能够通过高温幼变形量轧造结合三沉热处置来实现。

3、结论

(1)轧造温度和轧造变形量对TC4钛合金棒材超声声速影响很大
，当轧造温度从900℃升高到980℃时
，超声声速从6110m/s提高到6162m/s
，当轧造变形量从69.14%增长到92.89%时
，超声声速从6136m/s降低到6093m/s。

(2)随着固溶温度的升高和时效温度的降低
，TC4钛合金棒材的超声声速逐步升高。当固溶温度在970℃
，时效温度在500℃时
，经固溶时效热处置后超声声速最高可达6170m/s左右。

(3)与固溶时效处置相比
，经三沉热处置后TC4钛合金棒材的超声声速更高
，最高可达6190m/s
，第一沉热处置选取水冷的棒材最终超声声速高于选取空冷的棒材。

(4)通过调整轧造和热处置工艺参数
，能够实现TC4钛合金棒材超声声速的节造。

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