鈦及鈦合金因(yin)其密度小、比(bi)強度高(gao)、耐腐蝕和(he)生物相容性(xing)好等優良性(xing)能，是(shi)極(ji)其重(zhong)要的輕質結構材(cai)料(liao)(liao)，廣(guang)泛用(yong)(yong)于航(hang)空航(hang)天以及生物醫(yi)學(xue)等領域，具(ju)有重(zhong)要的應用(yong)(yong)價值和(he)廣(guang)闊的應用(yong)(yong)前景，與傳(chuan)統同(tong)類醫(yi)用(yong)(yong)鈦合(he)金TC4相比(bi)而(er)言，TC20鈦合(he)金選(xuan)用(yong)(yong)原子濃度相同(tong)且性(xing)能與組織穩定、無毒害(hai)作用(yong)(yong)的Nb替代V，解決了TC20鈦合(he)金作為醫(yi)用(yong)(yong)置(zhi)換術關鍵性(xing)材(cai)料(liao)(liao)的難(nan)題。

固溶時效又(you)稱強(qiang)化(hua)熱(re)處理，通(tong)過調控(kong)鈦合金相變過程實現(xian)強(qiang)化(hua)效果，是TC20等(deng)α+β型合金最主要的(de)(de)熱(re)處理方式。目(mu)前對于(yu)TC20的(de)(de)工業化(hua)研究只(zhi)限于(yu)熱(re)連(lian)軋(ya)線材與(yu)板材軋(ya)制等(deng)領域，而對于(yu)全流程等(deng)溫(wen)鍛造(zao)的(de)(de)小(xiao)規格(ge)棒材組(zu)織(zhi)(zhi)與(yu)性(xing)能(neng)的(de)(de)研究相對較少，為此本文研究了不同時效溫(wen)度下(xia)TC20鈦合金鍛造(zao)棒材的(de)(de)組(zu)織(zhi)(zhi)演(yan)變及(ji)熱(re)處理工藝(yi)對其組(zu)織(zhi)(zhi)和(he)性(xing)能(neng)的(de)(de)影響，旨在為全流程鍛造(zao)生產(chan)的(de)(de)TC20小(xiao)尺寸鈦合金棒材提(ti)供生產(chan)經驗。

試驗材料以及(ji)方(fang)法

試驗所用材(cai)料為寶(bao)雞鈦業股份有限(xian)公司生(sheng)產，經(jing)(jing)真空自耗電弧爐二次熔(rong)煉的φ696mm錠(ding)型鑄(zhu)錠(ding)，經(jing)(jing)過β區開坯鍛造(zao)+兩相區鍛造(zao)(鐓粗(cu)和拔長)+兩相區徑向鍛造(zao)等一(yi)系列工(gong)序生(sheng)產的φ32mm棒材(cai)。根(gen)據YS/T 1262-2018的試驗方法(fa)測(ce)得(de)化學成(cheng)分(fen)見表1，經(jing)(jing)金相法(fa)測(ce)得(de)該(gai)棒材(cai)本(ben)體相變點為1001℃。

表1鑄錠化學(xue)成(cheng)分(質量分數，%)

熱處理試(shi)驗(yan)在箱式電(dian)阻(zu)爐中進(jin)行，表2為(wei)熱處理制(zhi)度；檢(jian)測顯(xian)微組織采用Axiovert 200 MAT光學顯(xian)微鏡(jing)，利用Clemexe成(cheng)像軟件配(pei)合光學顯(xian)微鏡(jing)確定顯(xian)微組織中初生α相的體積分數，室溫(wen)拉伸性能(neng)檢(jian)測使用Instron 5885電(dian)子萬能(neng)材料試(shi)驗(yan)機，室溫(wen)沖擊韌性使用JNS 300擺錘式沖擊試(shi)驗(yan)機。

表(biao)2經鍛棒材熱處(chu)理制(zhi)度(du)

試驗結果與討(tao)論分(fen)析

時效(xiao)溫度(du)對材(cai)料微觀組織(zhi)的影響

TC20固(gu)溶(rong)時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)主要依靠轉(zhuan)變β組(zu)(zu)(zu)織(zhi)在(zai)(zai)(zai)后(hou)續的(de)(de)(de)(de)長(chang)時(shi)(shi)間時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)過程中(zhong)析出彌(mi)散的(de)(de)(de)(de)α固(gu)溶(rong)體，使(shi)合(he)金在(zai)(zai)(zai)強韌性方面得(de)到協同提高。TC20鈦合(he)金鍛棒(bang)在(zai)(zai)(zai)經(jing)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)區固(gu)溶(rong)+時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)處理后(hou)的(de)(de)(de)(de)顯微組(zu)(zu)(zu)織(zhi)為(wei)(wei)典(dian)型的(de)(de)(de)(de)混(hun)合(he)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)，由初生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)等(deng)(deng)軸(zhou)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)與(yu)(yu)β轉(zhuan)變組(zu)(zu)(zu)織(zhi)組(zu)(zu)(zu)成，如圖(tu)(tu)1(a)所(suo)示。經(jing)950℃高溫(wen)(wen)固(gu)溶(rong)隨后(hou)空冷，會(hui)獲得(de)大量的(de)(de)(de)(de)針(zhen)狀(zhuang)次(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)及(ji)少數殘留(liu)β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，在(zai)(zai)(zai)隨后(hou)的(de)(de)(de)(de)低溫(wen)(wen)時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)過程中(zhong)，形成少量時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)ω相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)。隨著(zhu)(zhu)時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)溫(wen)(wen)度(du)的(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)(bu)斷(duan)升(sheng)高，初生(sheng)(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)含量與(yu)(yu)尺寸變化不(bu)(bu)(bu)大，這是由于(yu)(yu)950℃固(gu)溶(rong)溫(wen)(wen)度(du)在(zai)(zai)(zai)TC20合(he)金相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)變點附近，較(jiao)高的(de)(de)(de)(de)固(gu)溶(rong)溫(wen)(wen)度(du)使(shi)得(de)過飽和度(du)增大，而(er)(er)轉(zhuan)變β組(zu)(zu)(zu)織(zhi)在(zai)(zai)(zai)熱力(li)學上屬于(yu)(yu)亞(ya)穩(wen)(wen)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，隨后(hou)的(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)過程屬于(yu)(yu)亞(ya)穩(wen)(wen)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)緩慢分(fen)解與(yu)(yu)析出，而(er)(er)亞(ya)穩(wen)(wen)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)分(fen)解與(yu)(yu)析出優先在(zai)(zai)(zai)晶界(jie)(jie)等(deng)(deng)能量較(jiao)高的(de)(de)(de)(de)位置(zhi)發生(sheng)(sheng)(sheng)，對(dui)于(yu)(yu)尺寸較(jiao)大的(de)(de)(de)(de)初生(sheng)(sheng)(sheng)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)基本不(bu)(bu)(bu)會(hui)產生(sheng)(sheng)(sheng)影響。次(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)片層(ceng)對(dui)隨后(hou)的(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)溫(wen)(wen)度(du)更加敏感(gan)，在(zai)(zai)(zai)時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)過程中(zhong)，次(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)片層(ceng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)從β晶界(jie)(jie)、α/β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)界(jie)(jie)及(ji)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)晶內(nei)析出，其(qi)形貌(mao)表現(xian)為(wei)(wei)細(xi)長(chang)而(er)(er)又平直的(de)(de)(de)(de)松針(zhen)狀(zhuang)，如圖(tu)(tu)1(d)所(suo)示。并且次(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)α形貌(mao)以(yi)及(ji)尺寸隨著(zhu)(zhu)時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)溫(wen)(wen)度(du)的(de)(de)(de)(de)升(sheng)高發生(sheng)(sheng)(sheng)趨勢性變化：⑴當時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)溫(wen)(wen)度(du)為(wei)(wei)500/525℃時(shi)(shi)，次(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)與(yu)(yu)其(qi)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)組(zu)(zu)(zu)元之間的(de)(de)(de)(de)邊(bian)界(jie)(jie)比(bi)較(jiao)模(mo)糊，而(er)(er)隨著(zhu)(zhu)時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)溫(wen)(wen)度(du)的(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)(bu)斷(duan)升(sheng)高，次(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)與(yu)(yu)周圍其(qi)他組(zu)(zu)(zu)元之間的(de)(de)(de)(de)邊(bian)界(jie)(jie)逐(zhu)漸(jian)變得(de)清晰；⑵隨著(zhu)(zhu)時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)溫(wen)(wen)度(du)的(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)(bu)斷(duan)升(sheng)高，次(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)形貌(mao)由細(xi)針(zhen)狀(zhuang)逐(zhu)漸(jian)變得(de)短粗，進而(er)(er)當溫(wen)(wen)度(du)達(da)到600℃時(shi)(shi)，變成典(dian)型的(de)(de)(de)(de)板條(tiao)狀(zhuang)聚集分(fen)布，寬度(du)達(da)到500℃試樣的(de)(de)(de)(de)1.3～2倍。

圖1不同時(shi)效溫(wen)度下的顯微組織

次(ci)生(sheng)細針狀α相(xiang)片(pian)層組織的(de)(de)形(xing)貌粗(cu)化(hua)是一種外(wai)界溫度驅(qu)動下的(de)(de)熱力(li)學激活(huo)過程，并且時(shi)效溫度越高(gao)，為此激活(huo)過程會提供更多的(de)(de)生(sheng)長驅(qu)動力(li)，同時(shi)降(jiang)低了系統中(zhong)次(ci)生(sheng)組元的(de)(de)形(xing)核速(su)(su)率，當系統處于一定的(de)(de)溫度下，其次(ci)生(sheng)α相(xiang)的(de)(de)形(xing)核速(su)(su)率減慢，而此時(shi)的(de)(de)生(sheng)長驅(qu)動力(li)加快，進而必將促使次(ci)生(sheng)片(pian)層α相(xiang)發生(sheng)粗(cu)化(hua)，而其粗(cu)化(hua)速(su)(su)率受(shou)到溶質原子的(de)(de)擴散率所(suo)控(kong)制。

組(zu)織(zhi)與(yu)力學性(xing)能的相(xiang)關性(xing)討論

TC20合金鍛造棒(bang)材(cai)不(bu)(bu)同時(shi)效(xiao)狀態下力學性(xing)能(neng)見(jian)表3，棒(bang)材(cai)經固溶時(shi)效(xiao)處(chu)理后，組織(zhi)中(zhong)析出大(da)量次(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)片(pian)(pian)(pian)層(ceng)狀α相，此時(shi)當(dang)沖擊(ji)形成的(de)(de)(de)裂(lie)紋(wen)向(xiang)(xiang)材(cai)料內部(bu)擴(kuo)展(zhan)(zhan)遇(yu)到取(qu)向(xiang)(xiang)不(bu)(bu)同的(de)(de)(de)次(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)α片(pian)(pian)(pian)層(ceng)時(shi)，裂(lie)紋(wen)會(hui)發生(sheng)(sheng)(sheng)分解，使(shi)得一(yi)大(da)部(bu)分裂(lie)紋(wen)方(fang)向(xiang)(xiang)發生(sheng)(sheng)(sheng)改變，隨(sui)(sui)之(zhi)沿著次(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)α片(pian)(pian)(pian)層(ceng)的(de)(de)(de)最(zui)易動位(wei)向(xiang)(xiang)進行(xing)擴(kuo)展(zhan)(zhan)，而大(da)量次(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)α片(pian)(pian)(pian)層(ceng)之(zhi)間相互(hu)縱橫交叉，次(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)裂(lie)紋(wen)的(de)(de)(de)擴(kuo)展(zhan)(zhan)方(fang)向(xiang)(xiang)會(hui)不(bu)(bu)斷(duan)(duan)(duan)發生(sheng)(sheng)(sheng)改變，所以α片(pian)(pian)(pian)層(ceng)形貌上的(de)(de)(de)粗(cu)化現(xian)象，會(hui)導致斷(duan)(duan)(duan)裂(lie)韌(ren)性(xing)值(zhi)不(bu)(bu)斷(duan)(duan)(duan)下降(jiang)，時(shi)效(xiao)溫(wen)度高于550℃之(zhi)后，斷(duan)(duan)(duan)裂(lie)韌(ren)性(xing)值(zhi)降(jiang)低很快；就材(cai)料強韌(ren)性(xing)而言，500～550℃之(zhi)間時(shi)，其抗拉(la)強度降(jiang)低不(bu)(bu)多(duo)，力學性(xing)能(neng)比較平穩(降(jiang)幅(fu)在1.01%)，并且(qie)延(yan)伸(shen)(shen)(shen)率增幅(fu)較大(da)(增幅(fu)在25.9%)，隨(sui)(sui)后當(dang)溫(wen)度高于550℃時(shi)，其延(yan)伸(shen)(shen)(shen)率急劇下降(jiang)后又逐漸恢(hui)復平穩狀態。結(jie)合室溫(wen)拉(la)伸(shen)(shen)(shen)性(xing)能(neng)與沖擊(ji)性(xing)能(neng)，當(dang)固溶時(shi)效(xiao)制度為(wei)950℃×1.5h.AC+550℃×6h.AC時(shi)，斷(duan)(duan)(duan)裂(lie)韌(ren)性(xing)值(zhi)為(wei)56J/cm2，抗拉(la)強度為(wei)910MPa，延(yan)伸(shen)(shen)(shen)率為(wei)19%，實現(xian)了材(cai)料強韌(ren)化的(de)(de)(de)協(xie)同提高。

表(biao)3不同(tong)時效狀態下(xia)力(li)學性能

結論

⑴TC20鈦合金(jin)鍛(duan)棒在(zai)固溶時效處理(li)后(hou)為典型(xing)的(de)混合組(zu)織，并且隨(sui)著(zhu)時效溫度的(de)不斷升高，次生(sheng)α相(xiang)的(de)形態由(you)細針狀逐漸轉變為板條(tiao)狀，發生(sheng)熱激(ji)活(huo)下的(de)粗(cu)化現象。

⑵初生α相的(de)含(han)量以及形(xing)貌對試(shi)驗(yan)所設時效溫度不(bu)敏感。

⑶固溶時效制度(du)為950℃×1.5h.AC+550℃×6h.AC時，斷裂韌性值為56J/cm2，抗拉強度(du)為910MPa，延伸率為19%，實現了鍛造棒(bang)材強韌化的(de)協同提高。