1. TC4钛合金的概述与研究意义

近些年，钛合金轻质金属结构材料得到越来越广泛地应用，钛及其合金由于其高比强度，高熔点和优异的耐腐蚀等优异的性能而被广泛应用于航空航天，核能、化学工业等领域^[1,2]，但是钛及其合金的广泛应用由于其成本较高而受到了限制。经研究发现通过添加微量廉价铁元素来降低TC4钛合金的原料成本及后期工艺中的过程成本，在保证合金优良的塑韧性的前提下，提高合金的强度以满足构件对合金的强度要求，可以进一步确定不同性能要求下最合适的热处理方式，有利于生产的进行，为了扩大航空部门中钛合金的使用范围，提高飞机的稳定性和安全性，有必要深入研究 TC4钛合金。

2. TC4钛合金的显微组织和热处理

钛有两种同素异构体即α-Ti和β-Ti，其同素异构转变温度为885℃，常温时 TC4 钛合金由α和β两相组成^[3]，根据组成，热处理和间隙含量，Ti合金具有不同的α和β相的体积分数，α和β相的比例及其分布决定了机械性能。α相具有HCP结构，其具有有限的滑移系统，这导致低的延展性，相对高的强度和优异的抗蠕变性。相比之下，β相具有中等延展性和强度的ΒCC结构。钛合金可以获得具有α和β相的不同几何排列的多种微结构，它们可以分为三种不同的类别：层状，等轴或混合物即双带^[4-6]。α和β相体积分数与组成和热处理温度之间的关系在本质上是非常敏感和复杂的，因此TC4 钛合金热处理工艺不同，则得到的相组成和显微组织也会不一样^[7]，细小等轴组织具有较好的塑性、热稳定性和疲劳强度；针状组织具有较高的持久强度、蠕变强度和断裂韧性；等轴和针状混合组织具有较好的综合性能^[8]。

TC4钛合金可以进行退火、固溶和时效方式的热处理方式^[9]，退火方式包括去应力退火、完全退火等，去应力退火是为了消除或减少在压力、机械加工和焊接过程的残余应力；完全退火是为了使钛合金组织均匀、性能稳定，提高塑性和韧性；等温退火是为了提高塑性和热稳定性；固溶和时效处理是为了提高其强度。

2.1 TC4钛合金的热处理工艺的选择

钛合金的热处理工艺和随后的冷却会决定其显微组织，合金的显微组织决定其性能，为了得到综合性能优良的TC4合金需要找出最佳的热处理制度，在得到相应的合金组织同时，改善锻造及轧制工艺过程中的不良影响。对于TC4钛合金的力学性能，在普通退火状态下，片状组织的力学性能优于双态组织，但在高应力区，双态组织的力学性能优于片状组织；在固溶时效状态下，力学性能按双态、细等轴晶、细片状晶、粗等轴晶、粗片状依次降低 ^[10]， 所以，控制TC4钛合金的显微组织和晶粒尺寸对其材料性能具有重要的意义。 鉴于此，通过对TC4钛合金的热处理工艺、显微组织和冲击韧性进行分析，以探讨显微组织对其抗冲击韧性的影响。

同组织状态的TC4钛合金，其抗冲击韧性存在较大差异，原始态 TC4钛合金为粗大的魏氏组织，抗冲击韧性很差，为了获得等轴或双态组织，通常将钛合金在两相区热处理。等轴或双态组织使钛合金具有高强度、高塑性以及优异的疲劳强度，但是抗疲劳裂纹扩展能力以及断裂韧性较低随着损伤容限设计思想在钛合金上的应用，钛合金的抗裂纹扩展性能和断裂韧性受到了越来越高的重视^[11-12]。采用β区固溶而后时效处理可以得到具有原始晶粒的片层组织，使合金具有优异的抗裂纹扩展性能以及较高的断裂韧性值，抗拉强度略低于等轴或双态组织，但是这种组织的塑性较差，在一定程度上限制了β区固溶工艺的应 用^[13]，通过改善热处理工艺保障材料具有较高损伤容限性能的前提下提高其塑性，进而优化片层组织的力学性能成为迫切的需要。

2.2 热处理对TC4钛合金组织形貌性能的影响

固溶处理后的合金的微观结构在不同的冷却速率下冷却，观察到粗大的拉伸结构，冷却速率不同。微观结构和性能也不同，较慢的冷却速率提供了推动β 晶粒在一定程度上生长的机会，并且导致拉伸延展性的明显降低，在随炉冷却条件下产生的较粗的层状α和β相在应变发生时在局部区域中具有不同的变形率，相边界强烈地阻碍滑动，因此导致较低的拉伸延展性与等轴结构相比，层状结构的面积减少，经过1000℃水淬，随后在550℃下时效之后，微观结构具有更细的板条α，发生亚稳β相的时效强化，导致强度明显上升^[14-16]。不同冷却速率，断裂韧性也会不同，与其他等轴结构相比，魏氏组织微观结构具有更高的断裂韧性水平，这个原因主要是由于初生β晶粒的生长和晶界α相的存在，从而提高断裂韧性，此外，增加板条的厚度也可以提高断裂韧性^[17]。裂纹扩展过程中，当裂纹穿过晶界α时，裂纹量的增加和裂纹传播方向的转变可使应变场松弛，并且还可以吸收更多的能量，从而提高了断裂韧性。1000℃水淬后，发生马氏体相变，板条马氏体微观结构细小，导致强度高，塑性降低^[18-21]，在裂纹生长过程中，不能在裂纹边缘附近形成较大的塑性区域，就会阻碍长距离滑动，裂纹分支少，扩展路径平滑，断裂韧性降低，随炉冷却后在水淬处理中，裂纹表现出更多的裂纹开裂以及一些凹坑，这是由于水淬引起的马氏体的存在，在裂纹扩展过程中，由于能量消耗高，所以在随炉冷却时效条件下的层状结构具有高韧性^[22-23]，随着相含量的减少，合金的塑性急剧下降，因此，根据合金的使用要求选择适当的热处理温度是重要的。