钛(Ti)及其合金凭借高比强度、卓越的耐腐蚀性、宽广的使用温度范围以及优良的焊接性等在航空航天、船舶、军事及生物医学等高性能和先进工程领域得到广泛应用[1-4]。 BT22 钛合金，即中国牌号为TC18 的钛合金，由苏联于20 世纪60 年代开发，其名义成分为Ti-5A1-5Mo-5V-1Cr-1Fe[5-6]。 TC18 钛合金作为一种近β 型钛合金，具备高强高韧、良好的淬透性和高退火强度等特点， 使其成为航空领域大型承力构件制造的优选材料之一[5,7,18]。
随着航空工业的迅猛发展， 对于钛合金航空承力结构件的要求日益严格，整体化、大型化的结构件成为其未来的发展趋势。 这种整体成型的工件不仅能有效简化生产制造流程，降低生产成本，且对于保证钛合金构件的结构完整性具有重要意义[8-11]。在此背景下，大尺寸原始材料的制造和对其性能的精准把控面临着更高的要求。
目前，众多学者围绕TC18 钛合金的锻造工艺、热变形参数及组织性能等方面进行了广泛研究。 乔恩利等[11]针对不同锻造工艺对TC18 钛合金棒材组织和性能的影响展开了深入探讨；颜孟奇等[12]研究了热变形参数对φ300 mm 的TC18 钛合金棒材组织及织构演变规律； 熊智豪等 [13] 则对胚料φ585 mm TC18 钛合金棒材在不同火次锻造过程中β 相织构的演变规律进行了分析。然而，大尺寸棒材在生产过程中普遍存在组织均匀性与力学性能稳定性难以精确控制的技术难题，且由于尺寸效应的存在，φ300/585 mm 棒材的研究成果无法通过简单外推直接应用于φ400 mm 规格棒材的工艺优化。
为此，本文利用扫描电子显微镜观察φ400 mm大尺寸TC18 钛合金棒材芯表横纵4 个位置的显微组织，并对其拉伸性能进行测试，同时对断口及断口剖面进行表征分析。 通过系统地研究TC18 钛合金组织—性能—断口的匹配关系，旨在为优化大尺寸棒材TC18 钛合金的组织和性能提供参考依据，以满足航空工业对大型化、高性能钛合金承力结构件的需求。
1 实验材料与方法
实验材料为锻造态棒材TC18 钛合金， 直径为400 mm。棒材经熔炼和多火次锻造而成。TC18 钛合金化学成分如表1 所示，β 转变温度Tβ=(875±5)℃。通过线切割分别对棒材芯表位置的横纵方向取样(图1)，进行组织观察和拉伸性能测试。 边缘试样的取样位置距离棒材的最外表面约20 mm，芯部试样在以棒材几何中心为圆心，半径为80 mm 的区域内取样。 拉伸试验参照GB/T 228.1—2021《金属材料拉伸试验第1 部分：室温试验方法》在MTS LAND MARK 万能试验机上进行，拉伸速率为0.45 mm/min。后续对拉伸试样剖面进行显微组织观测。 试样经砂纸打磨、 抛光和腐蚀(腐蚀剂体积比为HF∶HNO3∶H2O=1∶3：6)，采用德国蔡司ZEISS SURPA 40 型号场发射扫描电子显微镜(SEM) 进行显微组织、断口及其剖面观察。
图1 试样的取样位置及拉伸样尺寸
Fig.1 Sampling locations of the samples and schematic diagram of the tensile samples
表1 TC18钛合金化学成分
Tab.1 Chemical composition of the TC18 titanium alloy(mass fraction/%)
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2 实验结果与讨论
2.1 显微组织特点
图2显示了边横(ET)、边纵(EL)、中横(CT)和中纵(CL)4 种不同取样位置的SEM 像。 从图中可以看出，不同试样的显微组织十分接近，均由等轴状的初生α 相、细小针状的次生α 相及β 基体组成。 其中，αP 和αS 相均匀分布在β 基体中，从形貌图中观察到析出相没有明显的形貌和尺寸差异(图2)。 表2列出了各试样相应微观结构的定量特征。 对于αp相，相对于取向为横向的试样(ET，CT)，取向为纵向(EL，CL)的试样中等轴αp 相含量的绝对体积分数均增加约5%(达到30% 的体积分数)， 直径相差不到0.25 μm。 对于αs 相，芯部试样边缘长度和宽度较小，分别相差约100 和21 nm。 此外，基体中的α(αp，αs)相呈均匀分布。
图2 TC18 钛合金各试样显微组织：(a1～a3)ET;(b1～b3)EL;(c1～c3)CT;(d1～d3)CL
Fig.2 Microstructure of the TC18 titanium alloy for different samples：(a1～a3)ET;(b1～b3)EL;(c1～c3)CT;(d1～d3)CL
表2 微结构定量尺寸参数
Tab.2 Quantitative parameters of the microstructure
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2.2 拉伸性能
对TC18 钛合金4 种试样进行拉伸性能测试。合金拉伸试验的工程应力-应变曲线和相应的拉伸性能如图3a～c 和表3 所示。 ET 试样显示出较高的强度(屈服强度为1 142 MPa，抗拉强度为1 230 MPa)和略低的塑性(伸长率为10.2%，断面收缩率为21.5%)，这是因为其细小片层α 相的强化作用[14]。 而EL 试样强度和塑性分别为屈服强度1 105 MPa， 抗拉强度1 191 MPa，伸长率14.9%，断面收缩率38.4%。可以看出边缘试样塑性EL 比ET 高(伸长率相差4.7%)，而ET 比EL 试样屈服强度约高37 MPa。同样，CT试样比CL 试样屈服强度高约15 MPa(CT 为1 090 MPa，CL为1 075 MPa)， 伸长率相差6.3%(CT 为10.2%，CL为16.5%)。 值得注意的是，边部试样的强度均比芯部试样高，而纵向试样的塑性整体明显比横向试样高，可能归因于纵向试样等轴α 相含量较高[15]。
图3 TC18 钛合金各试样的拉伸性能：(a)工程应力-应变曲线；(b,c)力学性能对比
Fig.3 Mechanical properties of TC18 titanium alloy for different samples：(a)engineering stress-strain curves,(b,c)comparison of mechanical properties
表3 不同位置TC18 钛合金力学性能
Tab.3 Mechanical properties of the TC18 titanium alloy at different positions
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2.3 断口形貌
根据上述拉伸性能结果对4 种试样断口形貌进行表征，如图4 所示。其中a1、b1、c1、d1 为断口低倍宏观形貌，a2、b2、c2、d2 为中心区域(黄框)高倍形貌，可以看出4 种试样断口均由大量韧窝组成，为典型的韧性断裂。 a3、b3、c3、d3 为边缘区域(红框)高倍形貌。图4a1 中ET 试样断口呈现不规则形状，存在明显的高低起伏区域。 但其中心区域由大量韧窝组成，如图4a2 所示， 不规则的韧窝分布和应力集中形成的空洞是其塑性差的主要原因。 CT 试样断口有大量韧窝，不均匀变形导致稀疏分布的空洞形成，成为裂纹的萌生点，如图4c2 所示。 由图4b1 和d1 可知，明显的颈缩和曲折的断口形貌证明EL 和CL 试样断裂前经历大量的塑性变形。结合高倍图4b3 和d3，可以观察到EL 和CL 试样剪切唇区域剪切拉长的韧窝。图4b2 和d2 表明，与ET 和CT 试样不同的是EL和CL 并没有明显成核质点， 仅由大量均匀分布的韧窝和其生长、合并的较大凹坑组成，表明其良好的塑性表现归因于均匀变形。
图4 TC18 钛合金各试样的断口形貌：(a1～a3)ET;(b1～b3)EL;(c1～c3)CT;(d1～d3)CL
Fig.4 Fractography of TC18 titanium alloy for different samples：(a1～a3)ET;(b1～b3)EL;(c1～c3)CT;(d1～d3)CL
2.4 剖面组织
如图5 所示，对强塑性相差较大的CL 和ET 试样进行剖面表征以进一步研究试样的断裂机制及组织对强塑性的影响规律。众所周知，应变失配和应力集中是裂纹扩展的根源， 这是由于应变失配和应力集中会驱动空隙或微裂纹的形成。 由图5a～c 可知，CL 试样中空洞的形成主要有3 种：①等轴α 相内部应力集中及载荷作用下滑移带相互交叉[16,19-20]；②在αp 相与β 相界面处由于αp 相与β 相硬度和变形优先级的差异导致大量位错塞积后应力集中[17]；③硬质αs 相会严重阻碍位错的运动进而导致位错塞积后应力集中[16]。在变形过程中，裂纹起源于空位并沿着空隙扩大最终导致拉伸过载发生断裂。 与CL 试样相比，ET 试样空洞的产生主要是第2 和第3 种方式，如图5d～f 所示。 此外，TC18 钛合金中αp相对应较高的塑性及疲劳性能，αs 相一般为细小针状，主要起到析出强化作用[21-22]。 结合表2，CL 试样的αp 相体积分数比ET 试样高约5%，但ET 试样的αs 相更为细小。 所以，细小硬质的αs 相和独特的空洞产生方式使ET 试样具有更高的强度， 更高占比的等轴αp 相和综合的空洞产生方式使CL 试样的强塑性获得优异的匹配。
图5 CL 和ET 试样的断口剖面：(a～c)CL;(d～f)ET
Fig.5 Cross-sectional images of the fracture profiles of the CL and ET samples：(a～c)CL;(d～f)ET
3 结论
(1)棒材不同位置试样由等轴αp 相、片层αs 和β 相组成， 等轴αp 相和片层αs 尺寸均匀分布在β相中，两相尺寸相差较小。
(2)棒材边缘试样比芯部试样强度均较高，ET试样强度最高(抗拉强度达到230 MPa)。 而纵向试样塑性均比横向试样高。 其中EL 试样的强塑性匹配最好(屈服强度105 MPa，抗拉强度为191 MPa，伸长率为14.9%)。
(3)所有试样的断口均由大量韧窝组成，发生韧性断裂。 应力集中导致部分成核质点和微裂纹的存在造成横向试样塑性较差。 发现了等轴αp 相、αp 相与β 相界面处和β 内部3 种空洞的形核位点。
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