0.   引言

TC4 ELI是指氧、氮、碳、氢间隙元素含量特别低的Ti-6Al-4V，间隙元素含量（质量分数）的一般要求为: O≤0.13%，Fe≤0.25%，N≤0.03%，C≤0.08%，H≤0.015%，且铝和钒的允许波动幅度范围更窄 ^[1]。α+β 型TC4 ELI钛合金拥有中等强度、高焊接性等优异性能。近些年来，以美国为首的少部分发达国家对TC4 ELI钛合金的研究已经非常成熟，将其应用于阿波罗计划中的液氢容器、液氢导管，作为主要极低温材料^[2]，TC4 ELI锻造合金也因其优异的综合性能而被广泛应用于外科植入物用材料。2007年，我国颁布的外科植入物用钛及钛合金加工材国家标准（GB/T 13810—2007），纳入了Ti-6Al-4V（ELI）合金，表明我国外科植入物用Ti-6Al-4V合金接近了国际标准。2018年GB/T 13810—2017代替了GB/T 13810—2007，对外科植入物用钛合金的标准进行了修订和完善。但目前国产医用Ti-6A-l4V合金材仍然主要满足国内中低端医疗器械产品，用于人工关节等高端医疗器械产品加工的优质Ti-6Al-4V 钛合金材料仍需大量从国外进口。国内产品与国外产品相比差距较大,如加工工艺不稳定，组织均匀性较差,强度和塑性匹配性较差等。利用国产原料和设备，研制生产出具有完全自主知识产权、性能稳定优异的国产高端钛合金棒材，实现先进材料、高端材料的国产化，具有十分重要的意义。近年来，国内学者就加工工艺及热处理工艺对TC4 ELI钛合金显微组织及性能的影响开展了广泛的研究^[3-7]，然而TC4 ELI钛合金中氧含量对其性能的影响少有涉及。笔者自主制备了不同氧含量的超低间隙TC4合金铸锭，经过开坯锻造退火后，探讨氧含量对TC4 ELI钛合金棒材性能的影响。

1.   试验研究

1.1   试验原料

试验原料为两种不同配料经真空自耗电弧炉熔炼得到的TC4 ELI合金铸锭，铸锭1、2平均氧含量分别为0.104%、0.046%，具体化学成分见表1。

表  1  TC4 ELI铸锭化学成分

Table  1.  Chemical compositions of TC4 ELI ingot %

编号	部位	Fe	O	N	H	Al	V	Ti
铸锭1	上	0.03	0.100	0.006	0.0048	6.00	3.96	余量
	中	0.02	0.107	0.018	0.0050	5.66	3.68
	下	0.03	0.106	0.006	0.0048	5.91	3.88
铸锭2	上	0.02	0.045	0.008	0.0039	5.88	4.12
	中	0.02	0.052	0.008	0.0040	5.81	4.17
	下	0.02	0.040	0.008	0.0040	6.10	4.20

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GB/T 3620.1—2016钛及钛合金牌号和化学成分规定TC4 ELI O≤0.13%，Fe≤0.25%，N≤0.03%，C≤0.08%，H≤0.012%，Al 5.5%～6.5%，V 3.5%～4.5%，Ti为余量。试验得到的TC4 ELI 铸锭Al、V含量在标准范围内，杂质元素含量远低于国家标准。

1.2   试验条件

TC4钛合金的相变温度为995 ℃，高于此温度的β相区铸造结构的组织可塑性最好，因此开坯锻造温度一般大于β转变温度，试验选取1150 ℃进行开坯锻造。为获得细小的晶粒组织，在低于β转变温度的α+β两相区进行两火次锻造，锻造温度为920 ℃，获得了Ø35 mm的棒材，铸锭总变形量大于75%。为消除锻造带来的内应力，提高钛合金棒材塑性和结构稳定性，获得更好的整体性能，将棒材在720 ℃保温50 min进行退火处理，得到氧含量为0.064%、0.044%的TC4 ELI钛合金棒材成品。

采用GB/T 4698.2—2011、GB/T 4698.8—2017标准对TC4 ELI钛合金棒材进行化学成分分析、SG-51金相显微镜观察显微组织、CMT5205万能试验机测试室温静态拉伸性能，SIGMA500扫描电镜观察拉伸试样断口，研究了氧含量对TC4 ELI钛合金棒材组织及力学性能的影响。

2.   结果与讨论

2.1   棒材化学成分及金相显微组织

两种氧含量的钛合金铸锭经开坯-锻造-退火得到的Ø30 mm钛合金棒材分别编号为1和2，每根棒材的端头部分编号为1-1、2-1，中段部分编号为1-2、2-2。

氧元素作为钛合金中主要的间隙元素之一，有研究表明氧含量的多少对TC4钛合金显微组织的影响不明显^[8]。图1示出的TC4 ELI钛合金棒材试样1-1（端头）及1-2（中段）显微组织细小均匀，由白色等轴α相和灰色β相组成，组织较致密，α相及β相分布均匀，等轴组织具有良好的塑性和热稳定性，材料具有较高的强度。部分区域可见条状α相，β相处于α相晶界处，组织形貌上呈现点状分布，β相的点状分布导致α相没有完整的晶界，TC4 ELI钛合金棒材1端头的等轴α相的含量少于中段的等轴α相含量。

图  1  棒材1的显微组织

（a）试样1-1；（b）试样1-2

Figure  1.  Microstructure of bar 1

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TC4 ELI钛合金棒材2端头及中段显微组织如图2所示。从图2看出，TC4 ELI钛合金棒材试样2-1（端头）组织形貌为双态组织，片状β转变组织的基体上分布互不相连的等轴初生α，等轴初生α的含量小于50%。棒材试样2-2（中段）部位的组织形貌为网篮组织，β转变基体上分布着少量纵横交错的片状α相，β晶粒的边界在变形过程中被不同程度地破坏，晶界α相不连接，且原始β晶粒中的片状α相变短和变厚，在原始的β晶粒上交错并编织成网篮状，等轴α相全部消失，中段部位的晶粒细化的程度好，网篮组织的裂纹护展路径曲折，其塑性及韧性较高。试样2-1（端头）和2-2（中段）显微组织的差别可能是由于锻造时受热不均匀锻造变形量有差异引起的。

图  2  棒材2的显微组织

（a）试样2-1；（b）试样2-2

Figure  2.  Microstructure of bar 2

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由于TC4铸锭坯体是在β相区开始变形，在两相区结束变形的跨β锻造，其显微组织主要取决于α+β两相区的变形程度，因此棒材1为均匀的等轴组织，而棒材2去除端头部分均为网篮组织，可能是由于锻造过程中对α+β两相区的变形量控制有差异引起。

2.2   氧含量对拉伸性能的影响

氧含量主要影响拉伸性能中的屈服强度、抗拉强度及断面收缩率。当氧原子进入钛合金的内部，产生了第二类内应力，导致钛合金的晶格变形，这增加了对位错运动的抵抗力，同时产生了应力和应变，就会体现在宏观的合金性能上，在合理的范围内，氧含量越高，晶体晶格扭曲就越严重，钛合金的力学性能就越优秀，当氧含量小于0.3%左右时对延伸率基本没有影响 ^[9]。

从氧含量为0.064%、0.044%的TC4 ELI棒料的端头及中段分别取4个拉伸试样，编号为1-1-1、1-1-2、2-1-1、2-1-2及1-2-1、1-2-2、2-2-1、2-2-2。拉伸试样尺寸如图3所示。其中L₀为30 mm，L_c为42 mm，h为12 mm，d₀为5.5 mm，D为16 mm，公差为0.03，各个样品的平均直径为5.99、5.97、6.00、6.02 mm。

图  3  拉伸试样加工尺寸

Figure  3.  Dimension of tensile sample

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TC4 ELI钛合金静态拉伸性能列于表2。可见，TC4 ELI钛合金棒材样品强度及塑性都很好，氧含量略高的棒材1的屈服强度和拉伸强度略高于氧含量略低的2号棒材，相反塑性略低。这说明随着氧含量的减少，TC4 ELI钛合金棒材的屈服强度与拉伸强度也相应减少，塑性略微上升。这是因为氧原子进入钛合金的内部，产生了第二类内应力，导致钛合金的晶格变形，这增加了对位错运动的抵抗力，同时产生了应力和应变，就体现在宏观的合金性能上。在氧含量合理的范围内，氧含量越高，晶体晶格扭曲就越严重，钛合金的力学性能就越优秀。

表  2  TC4 ELI钛合金端头及中段静态拉伸性能

Table  2.  Static tensile properties of TC4 ELI titanium alloy end and middle sections

编号	Rp0.2/MPa	Rm/MPa	A/%	Z/%
1-1-1	837	917	13.0	42
1-1-2	857	922	15.5	49
1-2-1	828	897	13.5	47
1-2-2	812	883	13.5	46
2-1-1	833	890	12.5	54
2-1-2	849	916	13.5	52
2-2-1	825	889	15.0	54
2-2-2	800	867	15.0	53

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图4为TC4 ELI钛合金棒材的拉伸试样的应力位移曲线。通过拉伸试验获得的拉伸参数是确定强度和塑性的指标。强度是金属在静态载荷下具有抵御塑性变形与断裂的能力，而塑性则是金属在受到应力后具有可以变形的能力。通过图4可清晰知道，拉伸试样曲线在弹性部分基本重合，表明试样的抵抗变形的能力基本相同。拉伸试样当到达屈服点之后，试样进入塑性变形阶段，变形是均匀一致的，而当到达抗拉强度后出现缩颈现象，产生集中变形，直至试样断裂。

2.3   拉伸断口显微结构分析

TC4 ELI钛合金棒材的拉伸断口微观形貌如图5所示。从（a1）（b1）看出，两种氧含量的TC4 ELI钛合金拉伸试样受轴向应力作用断裂前均发生明显的颈缩，断口呈杯锥状，具有明显的纤维区、放射区和剪切唇，断口较规则，中段的放射区呈放射状条纹，剪切唇区较平整。

图  4  TC4 ELI钛合金拉伸试样的应力位移曲线

Figure  4.  Stress displacement curve of TC4 ELI titanium alloy tensile sample

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图  5  钛合金棒材的拉伸断口微观形貌

（a1）、（b1）棒材1、2的拉伸断口整体微观形貌；（a2）、（b2）棒材1端头和中段断口的微观结构；（a3）、（b3）棒材2端头和中段断口的微观结构

Figure  5.  Morphologies of tensile fracture of titanium alloy bars

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通过图5可以清晰地观察到拉伸断口显微结构都是塑性断裂，试样是在拉伸正应力下进行，应力在整个断口上分布均匀，显微空洞在拉力的作用下向3个方向上均匀长大，形成了等轴韧窝，作为塑性断裂的主要微观特征之一，一般用韧窝的深度及宽度来判断其大小，其大小和深浅一般取决于第二相的数量分布及基体的塑性变形能力，而在拉伸条件相同的情况下，韧窝越大越深，其塑性就越好。

（a2）、（a3）和（b2）、（b3）分别是棒材1、2端头和中段部位拉伸断口微观结构。可见，TC4 ELI钛合金棒材1的断口的微观结构呈现明显的韧窝组织，韧窝内没有明显的成核质点，存在大量的细小等轴韧窝，少量的大韧窝，大韧窝中又包含若干个小韧窝。中段的韧窝明显比端头的韧窝深，使得TC4 ELI钛合金棒材1中段的塑性大于端头。棒材2端头和中段断口的微观结构都是大而深的韧窝组织，端头的韧窝数量更多，中段韧窝更深。试样微观结构显示棒材2的塑性要高于棒材1。

3.   结论

1）单相区开坯锻造的始锻温度控制在1150 ℃，双相区的锻造温度920 ℃，在720 ℃保温时间50 min退火，获得了组织细化均匀，强度较高和塑性强的钛合金ELI棒材。

2）TC4 ELI铸锭锻造后棒材中的氧元素含量略微下降，分别为0.064%、0.044%。显微组织较均匀，呈（α+β）两相钛合金的典型组织。棒材端头为等轴组织或双态组织中段为等轴组织和网篮组织。

3）氧含量略高的TC4 ELI钛合金棒材的屈服强度、拉伸强度更高，塑性略低。两种氧含量棒材端头的R_m0.2>840 MPa、R_m>900 MPa、A为>13%、Z>45%，中段的R_m0.2>810 MPa、R_m>870 MPa、A>13%、Z>46%。力学性能均达到GB/T-13810-2017-外科植入物用钛及钛合金加工材TC4 ELI棒材的标准。

4）氧含量分别为0.064%、0.044%的TC4 ELI钛合金棒材断口微观结构都是韧窝组织，棒材抵抗变形的能力基本相同，塑性变形基本均匀一致。