不同表面處理工藝對TC4鈦合金薄板組織和性能的影響

引言

TC4鈦合金是一種應用廣泛的鈦合金，具有高強度、良好的耐腐蝕性和耐熱性等優點，被廣泛應用于航空航天、化工、醫療等領域[1,2]。而隨著鈦工業的快速發展，TC4鈦合金板材尤其是薄板的使用也越來越廣泛，因為它具有重量輕、強度高等優點，可以滿足一些特殊領域的需求，特別是在航空、通信和儀器儀表等領域中，薄板因其輕薄、易于加工等特點而備受青睞[3,4]。

在研究鈦合金材料的應用中，TC4鈦合金薄板的表面處理工藝尤為重要。由于薄板在生產過程中會形成氧化皮，這會對材料的性能產生影響，因此在生產流程中必須去除氧化皮以提高其表面質量和力學性能。當前，對于去除鈦合金表面氧化皮的研究和工藝處于持續探索研究中，而激光清洗和砂光酸洗是最常用的兩種處理方法[5,6]。激光清洗技術作為一種高效且環保的去除氧化皮方法，受到廣泛關注。其利用激光束的能量瞬間聚焦于氧化皮上，使其迅速受熱蒸發，從而清潔鈦合金表面。這種方法的優點在于其非接觸式操作對材料熱影響小，能夠精確控制處理區域等。另一方面，砂光酸洗工藝結合砂光和酸洗兩種方法的優點，通過機械摩擦和化學腐蝕聯合作用，可有效去除氧化皮和表面污染物，顯著提高鈦合金表面質量。這種工藝在工業生產中應用廣泛，技術成熟。

綜上所述，本文選取TC4鈦合金黑皮薄板作為研究材料，旨在探索不同表面處理工藝對其微觀組織和力學性能的影響。通過分別采用激光清洗和砂光酸洗兩種處理方法，對比研究這兩種工藝在去除氧化皮方面的效果，并深入分析處理后的鈦合金薄板的微觀結構和力學性能的變化。通過這一研究，能夠了解不同表面處理工藝對TC4鈦合金薄板性能的影響機制，為優化生產工藝、提高產品質量提供科學依據，并為實際應用中選擇合適的方法提供指導。

1、試驗材料與方法

文本所選試驗材料為退火態TC4鈦合金軋制薄板，板材厚度約為2.1mm。板材生產工藝為：中間合金以及海綿鈦經壓電極以及三次真空熔煉制而成鈦合金鑄錠，隨后經鍛造加工，制成鈦合金板材，最后經多火次熱軋工藝制成鈦合金薄板。薄板表面為黑皮狀態，本文選用的TC4軋制薄板具體化學成分見表1。將試驗薄板進行切割加工，分別對其表面進行砂光酸洗以及激光清洗。待處理完后，對薄板進行切割取樣，分別進行微觀組織觀察以及力學性能測試。微觀組織方面，需經400#和1200#砂紙的精細打磨，使用2μm和0.5μm的金剛石噴霧進行拋光，再對樣品進行腐蝕處理，最后將腐蝕完成的樣品使用Olympus金相顯微鏡進行顯微組織觀察與分析。物相組成使用XRD-7000型衍射儀進行分析，掃描角度范圍設定為20°至90°。力學性能方面，采用401MVD型維氏硬度機進行硬度測試，其中每個試樣沿直徑方向選取五個不同的測試點，以確保測試結果的代表性，減少偶然誤差的影響。使用INSTRON1185萬能拉伸試驗機進室溫拉伸測試，拉伸方向為板材軋制方向，試樣加工尺寸如圖1所示。

表1退火態TC4軋制薄板化學成分 Table 1 Chemical composition of annealed TC4 rolled sheet

2、試驗結果與討論

2.1微觀組織分析

圖2為TC4鈦合金薄板經不同表面處理工藝處理后的微觀組織形貌特性，圖2a為黑皮狀態下(未經表面工藝處理),發現此時板材內部組織主要由大量α晶粒組成，α晶粒形貌以等軸狀為主，并有少量條狀形貌的α晶粒。等軸狀α晶粒的形成與板材內部位向晶粒的儲能狀態密切相關，合金在軋制加工過程中，其內部的部分晶粒會表現出較高的儲能狀態，意味著這些晶粒在板材加工過程中的能量相對較高[7]。當這些具有較高儲能的晶粒受到軋制變形的作用時，會率先發生動態再結晶過程。在動態再結晶過程中，原有的高儲能晶粒會經歷結構轉變和重組，進而形成新的低能量狀態結構。這種轉變導致晶粒的長大和形狀變化，最終形成等軸狀的α晶粒[8]。在TC4鈦合金板材的軋制過程中，組織會產生大塑性變形，為了適應這種劇烈的塑性變形，部分α晶粒在軋制過程中會呈現長條狀形態。這種長條狀α晶粒的形成是一種協調變形機制的結果。在軋制過程中，板材受到強烈的剪切力和壓力作用，導致局部區域發生剪切變形的局部化現象，這種剪切變形集中在特定的狹長帶內，使得該區域內的晶粒受到強烈的拉伸和壓縮作用。為了適應這種極端的變形狀態，晶粒在受到外力作用時會發生形變、位錯滑移等結構變化，這種連續的結構調整和變形過程導致了長條狀α晶粒的形成[9-10]。

除板材內部組織形貌外，發現圖2a的邊緣部位有明顯的富氧層存在，厚度約為9μm,并在富氧層中夾雜一定數量的雜質。富氧層的產生原理主要是由于鈦合金在高溫環境下與氧氣發生化學反應，形成富氧層。鈦合金具有很強的親氧性，當其在高溫環境中暴露時，表面元素會與氧氣發生復雜的物理化學反應，形成氧化物，并形成富氧層[11]。

圖2b為經砂光酸洗工藝處理后的板材微觀組織形貌，發現板材內部微觀組織形貌與圖2a一致，同樣是由大量等軸以及少量條狀形貌α晶粒組成，且板材邊緣部位組織與內部組織形貌一致，富氧層完全消失。圖2c為經激光清洗工藝處理后的板材微觀組織形貌，板材內部的組織形貌與圖2a、圖2b一致，但其邊緣部分同樣存在富氧層，厚度約為7μm,但富氧層中較為純凈，未見明顯雜質存在。在砂光酸洗工藝中，砂光處理通常是通過機械摩擦的方式去除板材表面的粗糙部分或者微小凸起。這種機械處理方式對于富氧層有直接的影響，會導致富氧層被磨掉或者變薄。酸洗處理則是使用酸溶液來溶解和去除板材表面的雜質和氧化物。對于富氧層，酸洗可能使其溶解在酸溶液中，從而導致富氧層消失。因此，經過砂光酸洗處理后，板材邊緣部分的富氧層消失是因為機械和化學作用共同去除了這一層。激光清洗工藝是利用高能激光束照射在板材表面，通過熱量使表面的污垢、氧化物等揮發或者剝離。對于富氧層，激光清洗可能只是對其表面進行了一定程度的燒蝕或者剝離，而沒有完全去除。因此，激光清洗后，板材邊緣部分仍然會存在富氧層，但會將夾雜在富氧層表面的雜質去除。

2.2物相分析

圖3為TC4鈦合金薄板經不同表面處理工藝處理后的XRD圖譜，發現黑皮狀態以及經激光清洗工藝處理后的XRD圖譜主要由α相衍射峰構成，而經砂光酸洗工藝處理后，XRD圖譜中除α相衍射峰外，還存在少量的β相衍射峰。

合金在軋制過程中，合金受到強大的壓力和剪切力的作用，導致晶粒發生塑性變形和重新排列。這一過程中，α相晶粒經歷了破碎和細化，使得其尺寸變得非常細小，在細小的α相晶粒之間，分布著極少量的β相。這些β相通常以細小的顆粒或薄膜的形式存在于晶界之間。盡管β相在合金中的含量相對較少，但由于其晶體結構的特殊性，β相的晶體取向非常嚴格，即使組織中β相的含量較低，但在進行衍射分析時，仍然可以觀察到其獨特的衍射峰[12]。

發現黑皮狀態以及經激光清洗工藝處理后，物相僅由α相構成，未見其他物相存在。說明此時板材表面形成的富氧層為富氧α層。激光清洗工藝能夠去除表面的氧化物和其他雜質，在這種情況下，由于物相沒有發生變化，可以推斷激光清洗并沒有引入新的物相，僅是去除板材表面污染物。

2.3硬度分析

圖4為TC4鈦合金薄板經不同表面處理工藝處理后的硬度值，發現三種狀態下，板材在黑皮狀態以及經激光清洗工藝處理后的硬度較大，二者硬度無明顯差異化，最大硬度可達到309HV,而經砂光酸洗工藝處理后的硬度較低，其硬度為280HV。

由圖2與圖3的分析可知，板材在黑皮狀態以及經激光清洗工藝處理后，其表面為富氧α層，而經砂光酸洗工藝處理后，其表面為α相與β相的混合結構。其中α相的晶體結構為密排六方結構，具有較少的滑移系，因為其主要滑移面為基面，而滑移方向垂直于基面的分量較小。這使得密排六方結構的塑性變形能力相對較差，變形時主要通過基面滑移和孿生機制進行，導致板材的表面硬度較高[13]。而β相的晶體結構為體心立方結構，具有較多的滑移系，其滑移面和滑移方向的選擇更多樣化，因此具有較好的塑性變形能力，其主要依賴滑移機制進行塑性變形，其滑移系的多樣性使得變形更加均勻，故導致經砂光酸洗工藝處理后，板材表面硬度較低[14]。

2.4拉伸性能分析

圖5為TC4鈦合金薄板經過不同表面處理工藝處理后的拉伸性能，發現在三種工藝下，板材抗拉強度(Rm)較為接近，差異化較小，最大抗拉強度為980MPa。發現黑皮狀態以及經激光清洗工藝處理后，板材的塑性較低，呈脆斷狀態。但經砂光酸洗工藝處理后，板材具有較為優異的塑性性能，其斷后伸長率A可達到12%。

由圖2可知，板材組織中存在大量的等軸狀α晶粒，等軸α晶粒與基體之間的取向關系隨機，呈現出多樣化的特點。當位錯滑移通過晶界時，由于等軸α晶粒的存在，變形能量可以較快速地分散到各個晶粒內部，這意味著在塑性變形過程中，應力不會集中在某個特定的區域，而是被有效地分散到整個組織的各個部分，這種分散機制有助于減少位錯塞積現象的發生。此外，等軸α晶粒與基體之間的隨機取向還有助于提高組織整體的變形協調性。在塑性變形過程中，不同晶粒之間的相互作用更加協調，使得整個組織能夠更好地適應外部應力，表現出更高的塑性。

但黑皮狀態以及經激光清洗工藝處理后，在板材表面部位形成了富氧α層，這種富氧α層的組織特征與板材內部組織不同，其結構中并沒有等軸α晶粒的存在。在塑性變形過程中，當位錯滑移試圖穿過富氧α層時，由于缺少等軸α晶粒來分散和協調變形，滑移的協調性降低，會導致應力集中在富氧α層的特定區域，使得這些區域容易發生位錯塞積，進而導致微觀變形的不均勻分布，這種不均勻的微觀變形在富氧α層中會促進空洞的形成和發展。即由于富氧α層的存在，板材表面的抗變形能力相對較弱，使得空洞更容易產生并擴展，隨著空洞的擴展和連接，它們可能形成微裂紋，這些微裂紋在塑性變形較小的情況下就可能導致板材發生斷裂。

3、結論

(1)黑皮狀態下的板材內部組織主要由大量α晶粒組成，晶粒形貌以等軸狀為主，并有少量條狀形貌的α晶粒，其邊緣部位有明顯的富氧層存在，并夾雜一定數量的雜質；經激光清洗工藝處理后，板材邊緣部位富氧層厚度減少，且雜質消失；經砂光酸洗工藝處理后，板材邊緣部位與板材內部組織一致，富氧層消失。

(2)黑皮狀態以及經激光清洗工藝處理后的XRD圖譜主要由α相衍射峰構成，而經砂光酸洗工藝處理后，XRD圖譜中除α相衍射峰外，還存在少量的β相衍射峰。

(3)板材在黑皮狀態以及經激光清洗工藝處理后的硬度較大，二者硬度無明顯差異化，最大硬度可達到309HV,而經砂光酸洗工藝處理后的硬度較低，其硬度為280HV。

(4)板材經不同表面處理工藝處理后的抗拉強度較為接近，差異化較小，最大抗拉強度為980MPa,且黑皮狀態以及經激光清洗工藝處理后，板材的塑性較低。而經砂光酸洗工藝處理后，板材具有較為優異的塑性性能，其斷后伸長率可達到12%。

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