引言

TC4鈦合金是一種應(yīng)用廣泛的鈦合金，具有高強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性和耐熱性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、醫(yī)療等領(lǐng)域[1,2]。而隨著鈦工業(yè)的快速發(fā)展，TC4鈦合金板材尤其是薄板的使用也越來(lái)越廣泛，因?yàn)樗哂兄亓枯p、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足一些特殊領(lǐng)域的需求，特別是在航空、通信和儀器儀表等領(lǐng)域中，薄板因其輕薄、易于加工等特點(diǎn)而備受青睞[3,4]。

在研究鈦合金材料的應(yīng)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(chǎn)過(guò)程中會(huì)形成氧化皮，這會(huì)對(duì)材料的性能產(chǎn)生影響，因此在生產(chǎn)流程中必須去除氧化皮以提高其表面質(zhì)量和力學(xué)性能。當(dāng)前，對(duì)于去除鈦合金表面氧化皮的研究和工藝處于持續(xù)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(shù)作為一種高效且環(huán)保的去除氧化皮方法，受到廣泛關(guān)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(fā)，從而清潔鈦合金表面。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于其非接觸式操作對(duì)材料熱影響小，能夠精確控制處理區(qū)域等。另一方面，砂光酸洗工藝結(jié)合砂光和酸洗兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)機(jī)械摩擦和化學(xué)腐蝕聯(lián)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(zhì)量。這種工藝在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，技術(shù)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(duì)其微觀組織和力學(xué)性能的影響。通過(guò)分別采用激光清洗和砂光酸洗兩種處理方法，對(duì)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(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的變化。通過(guò)這一研究，能夠了解不同表面處理工藝對(duì)TC4鈦合金薄板性能的影響機(jī)制，為優(yōu)化生產(chǎn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)，并為實(shí)際應(yīng)用中選擇合適的方法提供指導(dǎo)。

1、試驗(yàn)材料與方法

文本所選試驗(yàn)材料為退火態(tài)TC4鈦合金軋制薄板，板材厚度約為2.1mm。板材生產(chǎn)工藝為：中間合金以及海綿鈦經(jīng)壓電極以及三次真空熔煉制而成鈦合金鑄錠，隨后經(jīng)鍛造加工，制成鈦合金板材，最后經(jīng)多火次熱軋工藝制成鈦合金薄板。薄板表面為黑皮狀態(tài)，本文選用的TC4軋制薄板具體化學(xué)成分見(jiàn)表1。將試驗(yàn)薄板進(jìn)行切割加工，分別對(duì)其表面進(jìn)行砂光酸洗以及激光清洗。待處理完后，對(duì)薄板進(jìn)行切割取樣，分別進(jìn)行微觀組織觀察以及力學(xué)性能測(cè)試。微觀組織方面，需經(jīng)400#和1200#砂紙的精細(xì)打磨，使用2μm和0.5μm的金剛石噴霧進(jìn)行拋光，再對(duì)樣品進(jìn)行腐蝕處理，最后將腐蝕完成的樣品使用Olympus金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察與分析。物相組成使用XRD-7000型衍射儀進(jìn)行分析，掃描角度范圍設(shè)定為20°至90°。力學(xué)性能方面，采用401MVD型維氏硬度機(jī)進(jìn)行硬度測(cè)試，其中每個(gè)試樣沿直徑方向選取五個(gè)不同的測(cè)試點(diǎn)，以確保測(cè)試結(jié)果的代表性，減少偶然誤差的影響。使用INSTRON1185萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)室溫拉伸測(cè)試，拉伸方向?yàn)榘宀能堉品较?，試樣加工尺寸如圖1所示。

表1退火態(tài)TC4軋制薄板化學(xué)成分 Table 1 Chemical composition of annealed TC4 rolled sheet

2、試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1微觀組織分析

圖2為TC4鈦合金薄板經(jīng)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(tài)下(未經(jīng)表面工藝處理),發(fā)現(xiàn)此時(shí)板材內(nèi)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(nèi)部位向晶粒的儲(chǔ)能狀態(tài)密切相關(guān)，合金在軋制加工過(guò)程中，其內(nèi)部的部分晶粒會(huì)表現(xiàn)出較高的儲(chǔ)能狀態(tài)，意味著這些晶粒在板材加工過(guò)程中的能量相對(duì)較高[7]。當(dāng)這些具有較高儲(chǔ)能的晶粒受到軋制變形的作用時(shí)，會(huì)率先發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程。在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程中，原有的高儲(chǔ)能晶粒會(huì)經(jīng)歷結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和重組，進(jìn)而形成新的低能量狀態(tài)結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)變導(dǎo)致晶粒的長(zhǎng)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(guò)程中，組織會(huì)產(chǎn)生大塑性變形，為了適應(yīng)這種劇烈的塑性變形，部分α晶粒在軋制過(guò)程中會(huì)呈現(xiàn)長(zhǎng)條狀形態(tài)。這種長(zhǎng)條狀α晶粒的形成是一種協(xié)調(diào)變形機(jī)制的結(jié)果。在軋制過(guò)程中，板材受到強(qiáng)烈的剪切力和壓力作用，導(dǎo)致局部區(qū)域發(fā)生剪切變形的局部化現(xiàn)象，這種剪切變形集中在特定的狹長(zhǎng)帶內(nèi)，使得該區(qū)域內(nèi)的晶粒受到強(qiáng)烈的拉伸和壓縮作用。為了適應(yīng)這種極端的變形狀態(tài)，晶粒在受到外力作用時(shí)會(huì)發(fā)生形變、位錯(cuò)滑移等結(jié)構(gòu)變化，這種連續(xù)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和變形過(guò)程導(dǎo)致了長(zhǎng)條狀α晶粒的形成[9-10]。

除板材內(nèi)部組織形貌外，發(fā)現(xiàn)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(shù)量的雜質(zhì)。富氧層的產(chǎn)生原理主要是由于鈦合金在高溫環(huán)境下與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成富氧層。鈦合金具有很強(qiáng)的親氧性，當(dāng)其在高溫環(huán)境中暴露時(shí)，表面元素會(huì)與氧氣發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，形成氧化物，并形成富氧層[11]。

圖2b為經(jīng)砂光酸洗工藝處理后的板材微觀組織形貌，發(fā)現(xiàn)板材內(nèi)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(nèi)部組織形貌一致，富氧層完全消失。圖2c為經(jīng)激光清洗工藝處理后的板材微觀組織形貌，板材內(nèi)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(jiàn)明顯雜質(zhì)存在。在砂光酸洗工藝中，砂光處理通常是通過(guò)機(jī)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(jī)械處理方式對(duì)于富氧層有直接的影響，會(huì)導(dǎo)致富氧層被磨掉或者變薄。酸洗處理則是使用酸溶液來(lái)溶解和去除板材表面的雜質(zhì)和氧化物。對(duì)于富氧層，酸洗可能使其溶解在酸溶液中，從而導(dǎo)致富氧層消失。因此，經(jīng)過(guò)砂光酸洗處理后，板材邊緣部分的富氧層消失是因?yàn)闄C(jī)械和化學(xué)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(guò)熱量使表面的污垢、氧化物等揮發(fā)或者剝離。對(duì)于富氧層，激光清洗可能只是對(duì)其表面進(jìn)行了一定程度的燒蝕或者剝離，而沒(méi)有完全去除。因此，激光清洗后，板材邊緣部分仍然會(huì)存在富氧層，但會(huì)將夾雜在富氧層表面的雜質(zhì)去除。

2.2物相分析

圖3為TC4鈦合金薄板經(jīng)不同表面處理工藝處理后的XRD圖譜，發(fā)現(xiàn)黑皮狀態(tài)以及經(jīng)激光清洗工藝處理后的XRD圖譜主要由α相衍射峰構(gòu)成，而經(jīng)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(guò)程中，合金受到強(qiáng)大的壓力和剪切力的作用，導(dǎo)致晶粒發(fā)生塑性變形和重新排列。這一過(guò)程中，α相晶粒經(jīng)歷了破碎和細(xì)化，使得其尺寸變得非常細(xì)小，在細(xì)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(xì)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(duì)較少，但由于其晶體結(jié)構(gòu)的特殊性，β相的晶體取向非常嚴(yán)格，即使組織中β相的含量較低，但在進(jìn)行衍射分析時(shí)，仍然可以觀察到其獨(dú)特的衍射峰[12]。

發(fā)現(xiàn)黑皮狀態(tài)以及經(jīng)激光清洗工藝處理后，物相僅由α相構(gòu)成，未見(jiàn)其他物相存在。說(shuō)明此時(shí)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(zhì)，在這種情況下，由于物相沒(méi)有發(fā)生變化，可以推斷激光清洗并沒(méi)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(jīng)不同表面處理工藝處理后的硬度值，發(fā)現(xiàn)三種狀態(tài)下，板材在黑皮狀態(tài)以及經(jīng)激光清洗工藝處理后的硬度較大，二者硬度無(wú)明顯差異化，最大硬度可達(dá)到309HV,而經(jīng)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(tài)以及經(jīng)激光清洗工藝處理后，其表面為富氧α層，而經(jīng)砂光酸洗工藝處理后，其表面為α相與β相的混合結(jié)構(gòu)。其中α相的晶體結(jié)構(gòu)為密排六方結(jié)構(gòu)，具有較少的滑移系，因?yàn)槠渲饕泼鏋榛妫品较虼怪庇诨娴姆至枯^小。這使得密排六方結(jié)構(gòu)的塑性變形能力相對(duì)較差，變形時(shí)主要通過(guò)基面滑移和孿生機(jī)制進(jìn)行，導(dǎo)致板材的表面硬度較高[13]。而β相的晶體結(jié)構(gòu)為體心立方結(jié)構(gòu)，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(jī)制進(jìn)行塑性變形，其滑移系的多樣性使得變形更加均勻，故導(dǎo)致經(jīng)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(jīng)過(guò)不同表面處理工藝處理后的拉伸性能，發(fā)現(xiàn)在三種工藝下，板材抗拉強(qiáng)度(Rm)較為接近，差異化較小，最大抗拉強(qiáng)度為980MPa。發(fā)現(xiàn)黑皮狀態(tài)以及經(jīng)激光清洗工藝處理后，板材的塑性較低，呈脆斷狀態(tài)。但經(jīng)砂光酸洗工藝處理后，板材具有較為優(yōu)異的塑性性能，其斷后伸長(zhǎng)率A可達(dá)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(guān)系隨機(jī)，呈現(xiàn)出多樣化的特點(diǎn)。當(dāng)位錯(cuò)滑移通過(guò)晶界時(shí)，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(gè)晶粒內(nèi)部，這意味著在塑性變形過(guò)程中，應(yīng)力不會(huì)集中在某個(gè)特定的區(qū)域，而是被有效地分散到整個(gè)組織的各個(gè)部分，這種分散機(jī)制有助于減少位錯(cuò)塞積現(xiàn)象的發(fā)生。此外，等軸α晶粒與基體之間的隨機(jī)取向還有助于提高組織整體的變形協(xié)調(diào)性。在塑性變形過(guò)程中，不同晶粒之間的相互作用更加協(xié)調(diào)，使得整個(gè)組織能夠更好地適應(yīng)外部應(yīng)力，表現(xiàn)出更高的塑性。

但黑皮狀態(tài)以及經(jīng)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(nèi)部組織不同，其結(jié)構(gòu)中并沒(méi)有等軸α晶粒的存在。在塑性變形過(guò)程中，當(dāng)位錯(cuò)滑移試圖穿過(guò)富氧α層時(shí)，由于缺少等軸α晶粒來(lái)分散和協(xié)調(diào)變形，滑移的協(xié)調(diào)性降低，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中在富氧α層的特定區(qū)域，使得這些區(qū)域容易發(fā)生位錯(cuò)塞積，進(jìn)而導(dǎo)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(huì)促進(jìn)空洞的形成和發(fā)展。即由于富氧α層的存在，板材表面的抗變形能力相對(duì)較弱，使得空洞更容易產(chǎn)生并擴(kuò)展，隨著空洞的擴(kuò)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(dǎo)致板材發(fā)生斷裂。

3、結(jié)論

(1)黑皮狀態(tài)下的板材內(nèi)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(shù)量的雜質(zhì)；經(jīng)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(zhì)消失；經(jīng)砂光酸洗工藝處理后，板材邊緣部位與板材內(nèi)部組織一致，富氧層消失。

(2)黑皮狀態(tài)以及經(jīng)激光清洗工藝處理后的XRD圖譜主要由α相衍射峰構(gòu)成，而經(jīng)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(tài)以及經(jīng)激光清洗工藝處理后的硬度較大，二者硬度無(wú)明顯差異化，最大硬度可達(dá)到309HV,而經(jīng)砂光酸洗工藝處理后的硬度較低，其硬度為280HV。

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

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