不同表面处理工艺对TC4钛合金薄板组织和性能的影响

引言

TC4钛合金是一种应用广泛的钛合金，具有高强度、良好的耐腐蚀性和耐热性等优点，被广泛应用于航空航天、化工、医疗等领域[1,2]。而随着钛工业的快速发展，TC4钛合金板材尤其是薄板的使用也越来越广泛，因为它具有重量轻、强度高等优点，可以满足一些特殊领域的需求，特别是在航空、通信和仪器仪表等领域中，薄板因其轻薄、易于加工等特点而备受青睐[3,4]。

在研究钛合金材料的应用中，TC4钛合金薄板的表面处理工艺尤为重要。由于薄板在生产过程中会形成氧化皮，这会对材料的性能产生影响，因此在生产流程中必须去除氧化皮以提高其表面质量和力学性能。当前，对于去除钛合金表面氧化皮的研究和工艺处于持续探索研究中，而激光清洗和砂光酸洗是最常用的两种处理方法[5,6]。激光清洗技术作为一种高效且环保的去除氧化皮方法，受到广泛关注。其利用激光束的能量瞬间聚焦于氧化皮上，使其迅速受热蒸发，从而清洁钛合金表面。这种方法的优点在于其非接触式操作对材料热影响小，能够精确控制处理区域等。另一方面，砂光酸洗工艺结合砂光和酸洗两种方法的优点，通过机械摩擦和化学腐蚀联合作用，可有效去除氧化皮和表面污染物，显著提高钛合金表面质量。这种工艺在工业生产中应用广泛，技术成熟。

综上所述，本文选取TC4钛合金黑皮薄板作为研究材料，旨在探索不同表面处理工艺对其微观组织和力学性能的影响。通过分别采用激光清洗和砂光酸洗两种处理方法，对比研究这两种工艺在去除氧化皮方面的效果，并深入分析处理后的钛合金薄板的微观结构和力学性能的变化。通过这一研究，能够了解不同表面处理工艺对TC4钛合金薄板性能的影响机制，为优化生产工艺、提高产品质量提供科学依据，并为实际应用中选择合适的方法提供指导。

1、试验材料与方法

文本所选试验材料为退火态TC4钛合金轧制薄板，板材厚度约为2.1mm。板材生产工艺为：中间合金以及海绵钛经压电极以及三次真空熔炼制而成钛合金铸锭，随后经锻造加工，制成钛合金板材，最后经多火次热轧工艺制成钛合金薄板。薄板表面为黑皮状态，本文选用的TC4轧制薄板具体化学成分见表1。将试验薄板进行切割加工，分别对其表面进行砂光酸洗以及激光清洗。待处理完后，对薄板进行切割取样，分别进行微观组织观察以及力学性能测试。微观组织方面，需经400#和1200#砂纸的精细打磨，使用2μm和0.5μm的金刚石喷雾进行抛光，再对样品进行腐蚀处理，最后将腐蚀完成的样品使用Olympus金相显微镜进行显微组织观察与分析。物相组成使用XRD-7000型衍射仪进行分析，扫描角度范围设定为20°至90°。力学性能方面，采用401MVD型维氏硬度机进行硬度测试，其中每个试样沿直径方向选取五个不同的测试点，以确保测试结果的代表性，减少偶然误差的影响。使用INSTRON1185万能拉伸试验机进室温拉伸测试，拉伸方向为板材轧制方向，试样加工尺寸如图1所示。

表1退火态TC4轧制薄板化学成分 Table 1 Chemical composition of annealed TC4 rolled sheet

2、试验结果与讨论

2.1微观组织分析

图2为TC4钛合金薄板经不同表面处理工艺处理后的微观组织形貌特性，图2a为黑皮状态下(未经表面工艺处理),发现此时板材内部组织主要由大量α晶粒组成，α晶粒形貌以等轴状为主，并有少量条状形貌的α晶粒。等轴状α晶粒的形成与板材内部位向晶粒的储能状态密切相关，合金在轧制加工过程中，其内部的部分晶粒会表现出较高的储能状态，意味着这些晶粒在板材加工过程中的能量相对较高[7]。当这些具有较高储能的晶粒受到轧制变形的作用时，会率先发生动态再结晶过程。在动态再结晶过程中，原有的高储能晶粒会经历结构转变和重组，进而形成新的低能量状态结构。这种转变导致晶粒的长大和形状变化，最终形成等轴状的α晶粒[8]。在TC4钛合金板材的轧制过程中，组织会产生大塑性变形，为了适应这种剧烈的塑性变形，部分α晶粒在轧制过程中会呈现长条状形态。这种长条状α晶粒的形成是一种协调变形机制的结果。在轧制过程中，板材受到强烈的剪切力和压力作用，导致局部区域发生剪切变形的局部化现象，这种剪切变形集中在特定的狭长带内，使得该区域内的晶粒受到强烈的拉伸和压缩作用。为了适应这种极端的变形状态，晶粒在受到外力作用时会发生形变、位错滑移等结构变化，这种连续的结构调整和变形过程导致了长条状α晶粒的形成[9-10]。

除板材内部组织形貌外，发现图2a的边缘部位有明显的富氧层存在，厚度约为9μm,并在富氧层中夹杂一定数量的杂质。富氧层的产生原理主要是由于钛合金在高温环境下与氧气发生化学反应，形成富氧层。钛合金具有很强的亲氧性，当其在高温环境中暴露时，表面元素会与氧气发生复杂的物理化学反应，形成氧化物，并形成富氧层[11]。

图2b为经砂光酸洗工艺处理后的板材微观组织形貌，发现板材内部微观组织形貌与图2a一致，同样是由大量等轴以及少量条状形貌α晶粒组成，且板材边缘部位组织与内部组织形貌一致，富氧层完全消失。图2c为经激光清洗工艺处理后的板材微观组织形貌，板材内部的组织形貌与图2a、图2b一致，但其边缘部分同样存在富氧层，厚度约为7μm,但富氧层中较为纯净，未见明显杂质存在。在砂光酸洗工艺中，砂光处理通常是通过机械摩擦的方式去除板材表面的粗糙部分或者微小凸起。这种机械处理方式对于富氧层有直接的影响，会导致富氧层被磨掉或者变薄。酸洗处理则是使用酸溶液来溶解和去除板材表面的杂质和氧化物。对于富氧层，酸洗可能使其溶解在酸溶液中，从而导致富氧层消失。因此，经过砂光酸洗处理后，板材边缘部分的富氧层消失是因为机械和化学作用共同去除了这一层。激光清洗工艺是利用高能激光束照射在板材表面，通过热量使表面的污垢、氧化物等挥发或者剥离。对于富氧层，激光清洗可能只是对其表面进行了一定程度的烧蚀或者剥离，而没有完全去除。因此，激光清洗后，板材边缘部分仍然会存在富氧层，但会将夹杂在富氧层表面的杂质去除。

2.2物相分析

图3为TC4钛合金薄板经不同表面处理工艺处理后的XRD图谱，发现黑皮状态以及经激光清洗工艺处理后的XRD图谱主要由α相衍射峰构成，而经砂光酸洗工艺处理后，XRD图谱中除α相衍射峰外，还存在少量的β相衍射峰。

合金在轧制过程中，合金受到强大的压力和剪切力的作用，导致晶粒发生塑性变形和重新排列。这一过程中，α相晶粒经历了破碎和细化，使得其尺寸变得非常细小，在细小的α相晶粒之间，分布着极少量的β相。这些β相通常以细小的颗粒或薄膜的形式存在于晶界之间。尽管β相在合金中的含量相对较少，但由于其晶体结构的特殊性，β相的晶体取向非常严格，即使组织中β相的含量较低，但在进行衍射分析时，仍然可以观察到其独特的衍射峰[12]。

发现黑皮状态以及经激光清洗工艺处理后，物相仅由α相构成，未见其他物相存在。说明此时板材表面形成的富氧层为富氧α层。激光清洗工艺能够去除表面的氧化物和其他杂质，在这种情况下，由于物相没有发生变化，可以推断激光清洗并没有引入新的物相，仅是去除板材表面污染物。

2.3硬度分析

图4为TC4钛合金薄板经不同表面处理工艺处理后的硬度值，发现三种状态下，板材在黑皮状态以及经激光清洗工艺处理后的硬度较大，二者硬度无明显差异化，最大硬度可达到309HV,而经砂光酸洗工艺处理后的硬度较低，其硬度为280HV。

由图2与图3的分析可知，板材在黑皮状态以及经激光清洗工艺处理后，其表面为富氧α层，而经砂光酸洗工艺处理后，其表面为α相与β相的混合结构。其中α相的晶体结构为密排六方结构，具有较少的滑移系，因为其主要滑移面为基面，而滑移方向垂直于基面的分量较小。这使得密排六方结构的塑性变形能力相对较差，变形时主要通过基面滑移和孪生机制进行，导致板材的表面硬度较高[13]。而β相的晶体结构为体心立方结构，具有较多的滑移系，其滑移面和滑移方向的选择更多样化，因此具有较好的塑性变形能力，其主要依赖滑移机制进行塑性变形，其滑移系的多样性使得变形更加均匀，故导致经砂光酸洗工艺处理后，板材表面硬度较低[14]。

2.4拉伸性能分析

图5为TC4钛合金薄板经过不同表面处理工艺处理后的拉伸性能，发现在三种工艺下，板材抗拉强度(Rm)较为接近，差异化较小，最大抗拉强度为980MPa。发现黑皮状态以及经激光清洗工艺处理后，板材的塑性较低，呈脆断状态。但经砂光酸洗工艺处理后，板材具有较为优异的塑性性能，其断后伸长率A可达到12%。

由图2可知，板材组织中存在大量的等轴状α晶粒，等轴α晶粒与基体之间的取向关系随机，呈现出多样化的特点。当位错滑移通过晶界时，由于等轴α晶粒的存在，变形能量可以较快速地分散到各个晶粒内部，这意味着在塑性变形过程中，应力不会集中在某个特定的区域，而是被有效地分散到整个组织的各个部分，这种分散机制有助于减少位错塞积现象的发生。此外，等轴α晶粒与基体之间的随机取向还有助于提高组织整体的变形协调性。在塑性变形过程中，不同晶粒之间的相互作用更加协调，使得整个组织能够更好地适应外部应力，表现出更高的塑性。

但黑皮状态以及经激光清洗工艺处理后，在板材表面部位形成了富氧α层，这种富氧α层的组织特征与板材内部组织不同，其结构中并没有等轴α晶粒的存在。在塑性变形过程中，当位错滑移试图穿过富氧α层时，由于缺少等轴α晶粒来分散和协调变形，滑移的协调性降低，会导致应力集中在富氧α层的特定区域，使得这些区域容易发生位错塞积，进而导致微观变形的不均匀分布，这种不均匀的微观变形在富氧α层中会促进空洞的形成和发展。即由于富氧α层的存在，板材表面的抗变形能力相对较弱，使得空洞更容易产生并扩展，随着空洞的扩展和连接，它们可能形成微裂纹，这些微裂纹在塑性变形较小的情况下就可能导致板材发生断裂。

3、结论

(1)黑皮状态下的板材内部组织主要由大量α晶粒组成，晶粒形貌以等轴状为主，并有少量条状形貌的α晶粒，其边缘部位有明显的富氧层存在，并夹杂一定数量的杂质；经激光清洗工艺处理后，板材边缘部位富氧层厚度减少，且杂质消失；经砂光酸洗工艺处理后，板材边缘部位与板材内部组织一致，富氧层消失。

(2)黑皮状态以及经激光清洗工艺处理后的XRD图谱主要由α相衍射峰构成，而经砂光酸洗工艺处理后，XRD图谱中除α相衍射峰外，还存在少量的β相衍射峰。

(3)板材在黑皮状态以及经激光清洗工艺处理后的硬度较大，二者硬度无明显差异化，最大硬度可达到309HV,而经砂光酸洗工艺处理后的硬度较低，其硬度为280HV。

(4)板材经不同表面处理工艺处理后的抗拉强度较为接近，差异化较小，最大抗拉强度为980MPa,且黑皮状态以及经激光清洗工艺处理后，板材的塑性较低。而经砂光酸洗工艺处理后，板材具有较为优异的塑性性能，其断后伸长率可达到12%。

参考文献

[1] 王庆娟，杜旭东，蒋立，等。退火处理对TC4钛合金航空发动机叶片组织与力学性能的影响 [J]. 金属热处理，2024,49 (10):126-132.

[2] 张航，祖国庆，王大臣，等.TC4钛合金锻态板材 TIG 焊后组织与性能研究 [J]. 钢铁钒钛，2024,45 (05):63-69.

[3] 王伟，周山琦，宫鹏辉，等。退火温度对TC4钛合金热轧板材的显微组织、织构和力学性能影响 [J]. 材料研究学报，2023,37 (01):70-80.

[4] 王俭，冯秋元，雷挺，等。退火温度对低成本 TC4LCA 钛合金板材组织和性能的影响 [J]. 金属热处理，2022,47 (11):82-86.

[5] 姚玉梅，张育红，李恒，等.TC4钛合金表面激光熔覆工艺的 PLC 控制与组织性能研究 [J]. 电镀与精饰，2024,46 (11):1-8.

[6] 王东，张晓静，戴泓源，等。钛及钛合金表面处理技术研究进展 [J]. 中国材料进展，2024,43 (10):924-934.

[7] Pushin G V,Rasposienko Y D,Gornostyrev N Y,et al.Structural and Phase Transformations and Crystallographic Texture in Industrial Ti–6Al–4V Alloy with Globular Morphology of α-Phase Grains:Plate’s Transverse Section Perpendicular to Rolling Direction [J].Physics of Metals and Metallography,2024,125 (7):698-708.

[8] Zhang C,Gao Y,Yin R,et al.Achieving fine grain microstructure and high performance of Ti-6Al-4V plates through directly high temperature β rolling [J].Materials Today Communications,2024,(41):110987-110987.

[9] Pushin G V,Rasposienko Y D,Gornostyrev N Y,et al.Structural and Phase Transformations and Crystallographic Texture in Industrial Ti–6Al–4V Alloy with Globular Morphology of α-Phase Grains:Plate’s Transverse Section Perpendicular to Rolling Direction [J].Physics of Metals and Metallography,2024,125 (7):698-708.

[10] 葛鹏，周伟，毛小南，等。轧制变形对 Ti-5322 板材组织与性能的影响 [J]. 材料工程，2009,(S1):154-157.

[11] 崔岩，孙新军，董常青，等.TC4钛合金富氧层增厚动力学研究 [J]. 稀有金属，2021,45 (10):1171-1177.

[12] 马鑫，孙前江，文超，等。准 β 热处理工艺对 TC4-DT 钛合金组织和拉伸性能的影响 [J]. 稀有金属材料与工程，2023,52 (12):4260-4267.

[13] 郭雅芳，汤笑之，俎群。密排六方金属中的孪生及孪晶位错机制 [J]. 固体力学学报，2021,42 (02):107-120.

[14] 朱李云，程全士，胡庆宽，等.Ti-6Al-4V 航空紧固件热成形温度对显微组织的影响研究 [J]. 金属加工 (热加工),2016,(23):15-17.

[15] Tian H,Xiong J,Zhao L,et al.Enhanced vacuum brazing joining between Ti–48Al–2Cr–2Nb/Ti–22Al–25Nb intermetallic alloys by Zr-free Ti-based filler [J].Journal of Materials Research and Technology,2024,(33):6925-6935.

[16] Korkmaz G H,Yapan F Y,Toros S,et al.A novel approach to enhance formability in Ti-6Al-4V alloy:Experimental investigations and microstructural analysis of pulsating tensile test [J].CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology,2024,(55):98-107.