鈦(tai)及鈦(tai)合金(jin)因其密度小、比強度高、耐腐蝕和生(sheng)物(wu)相(xiang)容性好等(deng)優(you)良性能，是極其重(zhong)(zhong)要的輕質結構材料，廣泛(fan)用(yong)(yong)于航(hang)空航(hang)天以及生(sheng)物(wu)醫(yi)學等(deng)領域，具有(you)重(zhong)(zhong)要的應用(yong)(yong)價(jia)值和廣闊的應用(yong)(yong)前(qian)景，與傳統(tong)同類醫(yi)用(yong)(yong)鈦(tai)合金(jin)TC4 相(xiang)比而言，TC20鈦(tai)合金(jin)選(xuan)用(yong)(yong)原(yuan)子濃度相(xiang)同且性能與組織穩定、無毒害作用(yong)(yong)的Nb 替(ti)代V，解(jie)決了TC20鈦(tai)合金(jin)作為醫(yi)用(yong)(yong)置換術(shu)關鍵性材料的難題。

固(gu)溶時效又稱強(qiang)化熱處(chu)理(li)，通過調控鈦合(he)金(jin)相(xiang)變過程實現強(qiang)化效果(guo)，是TC20等(deng)α+β 型合(he)金(jin)最主要的(de)熱處(chu)理(li)方式。目前對(dui)(dui)于TC20的(de)工(gong)業(ye)化研(yan)究只限(xian)于熱連(lian)軋線材(cai)與(yu)板材(cai)軋制等(deng)領域，而對(dui)(dui)于全流程等(deng)溫(wen)鍛(duan)造的(de)小規格棒材(cai)組(zu)織與(yu)性能(neng)的(de)研(yan)究相(xiang)對(dui)(dui)較(jiao)少(shao)，為此本文研(yan)究了不同時效溫(wen)度(du)下TC20鈦合(he)金(jin)鍛(duan)造棒材(cai)的(de)組(zu)織演變及熱處(chu)理(li)工(gong)藝對(dui)(dui)其組(zu)織和性能(neng)的(de)影響，旨在為全流程鍛(duan)造生產的(de)TC20小尺寸鈦合(he)金(jin)棒材(cai)提供生產經(jing)驗。

試驗材料以及方法

試(shi)驗(yan)所用材(cai)(cai)料為寶雞鈦業股份有限公司生(sheng)產，經真(zhen)空自耗電弧爐二次(ci)熔煉的(de)(de)φ696mm 錠(ding)型鑄錠(ding)，經過(guo)β 區開坯鍛(duan)造(zao)(zao)+兩(liang)相區鍛(duan)造(zao)(zao)(鐓粗和拔長)+兩(liang)相區徑(jing)向鍛(duan)造(zao)(zao)等(deng)一系列工序生(sheng)產的(de)(de)φ32mm 棒材(cai)(cai)。根(gen)據YS/T 1262-2018的(de)(de)試(shi)驗(yan)方法測得化學成分見表1，經金相法測得該棒材(cai)(cai)本體(ti)相變點為1001℃。

表1 鑄錠化學成(cheng)分(質量分數，%)

熱處理試(shi)驗在(zai)箱式電(dian)阻爐(lu)中進行，表2 為熱處理制(zhi)度；檢測顯微組織(zhi)采用(yong)Axiovert 200 MAT 光學(xue)顯微鏡，利用(yong)Clemexe 成(cheng)像軟件配(pei)合光學(xue)顯微鏡確定(ding)顯微組織(zhi)中初生α 相的體積分(fen)數，室溫(wen)拉伸(shen)性能檢測使用(yong)Instron 5885 電(dian)子萬(wan)能材料(liao)試(shi)驗機，室溫(wen)沖擊(ji)韌性使用(yong)JNS 300 擺錘式沖擊(ji)試(shi)驗機。

表2 經鍛棒材(cai)熱處理制度

試驗結果與討論分析

時效溫度對材料微觀組織的影響

TC20固(gu)溶(rong)(rong)(rong)時效(xiao)(xiao)主要依靠轉(zhuan)變(bian)β 組(zu)織(zhi)在(zai)后續(xu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)長時間(jian)時效(xiao)(xiao)過(guo)(guo)程(cheng)中析出(chu)(chu)彌散的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)α 固(gu)溶(rong)(rong)(rong)體，使合(he)金(jin)在(zai)強韌性方面(mian)得(de)到(dao)(dao)協(xie)同提高(gao)(gao)。TC20鈦合(he)金(jin)鍛棒在(zai)經相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)區固(gu)溶(rong)(rong)(rong)+時效(xiao)(xiao)處理后的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)顯微組(zu)織(zhi)為(wei)典型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)混合(he)組(zu)織(zhi)，由初(chu)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)等軸(zhou)α 相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)與β 轉(zhuan)變(bian)組(zu)織(zhi)組(zu)成，如圖1(a)所示(shi)。經950℃高(gao)(gao)溫(wen)(wen)固(gu)溶(rong)(rong)(rong)隨后空冷(leng)，會獲(huo)得(de)大量的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)針狀次(ci)生(sheng)(sheng)α 相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)及(ji)少數殘留β 相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，在(zai)隨后的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)低溫(wen)(wen)時效(xiao)(xiao)過(guo)(guo)程(cheng)中，形成少量時效(xiao)(xiao)ω 相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和β 相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)。隨著時效(xiao)(xiao)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)斷升(sheng)高(gao)(gao)，初(chu)生(sheng)(sheng)α 相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)含量與尺寸(cun)變(bian)化不(bu)大，這是由于(yu)(yu)950℃固(gu)溶(rong)(rong)(rong)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)在(zai)TC20合(he)金(jin)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)變(bian)點附(fu)近，較高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)固(gu)溶(rong)(rong)(rong)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)使得(de)過(guo)(guo)飽(bao)和度(du)(du)(du)增(zeng)大，而(er)(er)轉(zhuan)變(bian)β 組(zu)織(zhi)在(zai)熱(re)力學上(shang)屬(shu)于(yu)(yu)亞(ya)穩(wen)(wen)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，隨后的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)時效(xiao)(xiao)過(guo)(guo)程(cheng)屬(shu)于(yu)(yu)亞(ya)穩(wen)(wen)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)緩慢分(fen)解與析出(chu)(chu)，而(er)(er)亞(ya)穩(wen)(wen)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)解與析出(chu)(chu)優先在(zai)晶界(jie)等能量較高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)位(wei)置發(fa)生(sheng)(sheng)，對于(yu)(yu)尺寸(cun)較大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)初(chu)生(sheng)(sheng)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)基本不(bu)會產生(sheng)(sheng)影響(xiang)。次(ci)生(sheng)(sheng)α 相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)片層對隨后的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)時效(xiao)(xiao)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)更加敏感，在(zai)時效(xiao)(xiao)過(guo)(guo)程(cheng)中，次(ci)生(sheng)(sheng)片層α 相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)從β 晶界(jie)、α/β 相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)界(jie)及(ji)α 相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)晶內析出(chu)(chu)，其形貌(mao)表現為(wei)細長而(er)(er)又平直的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)松針狀，如圖1(d)所示(shi)。并(bing)且(qie)次(ci)生(sheng)(sheng)α 形貌(mao)以及(ji)尺寸(cun)隨著時效(xiao)(xiao)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)升(sheng)高(gao)(gao)發(fa)生(sheng)(sheng)趨(qu)勢性變(bian)化：⑴當時效(xiao)(xiao)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)為(wei)500/525℃時，次(ci)生(sheng)(sheng)α 相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)與其相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)組(zu)元(yuan)之間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)邊(bian)界(jie)比較模糊，而(er)(er)隨著時效(xiao)(xiao)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)斷升(sheng)高(gao)(gao)，次(ci)生(sheng)(sheng)α 相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)與周(zhou)圍其他組(zu)元(yuan)之間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)邊(bian)界(jie)逐(zhu)漸(jian)變(bian)得(de)清晰；⑵隨著時效(xiao)(xiao)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)斷升(sheng)高(gao)(gao)，次(ci)生(sheng)(sheng)α 相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形貌(mao)由細針狀逐(zhu)漸(jian)變(bian)得(de)短粗，進而(er)(er)當溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)達到(dao)(dao)600℃時，變(bian)成典型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)板條狀聚集分(fen)布，寬度(du)(du)(du)達到(dao)(dao)500℃試樣的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)1.3 ～2倍。

圖1 不同時(shi)效溫度下的顯(xian)微組(zu)織(zhi)

次(ci)(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)細針狀(zhuang)α 相(xiang)片層組織的(de)(de)(de)形貌粗(cu)化是一種外(wai)界溫度驅(qu)動下(xia)的(de)(de)(de)熱力學激活(huo)過程，并(bing)且時效溫度越(yue)高，為此激活(huo)過程會提供更多的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)長驅(qu)動力，同時降低了系統中次(ci)(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)組元(yuan)的(de)(de)(de)形核(he)速率，當(dang)系統處于一定(ding)的(de)(de)(de)溫度下(xia)，其次(ci)(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)α 相(xiang)的(de)(de)(de)形核(he)速率減慢，而此時的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)長驅(qu)動力加(jia)快，進而必將促使(shi)次(ci)(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)片層α 相(xiang)發生(sheng)(sheng)(sheng)粗(cu)化，而其粗(cu)化速率受到溶質原子的(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)率所控制。

組織與力學性能的相關性討論

TC20合金鍛造棒(bang)材(cai)(cai)不(bu)同時(shi)效(xiao)(xiao)狀(zhuang)態下力(li)學性(xing)能(neng)見表(biao)3，棒(bang)材(cai)(cai)經固(gu)(gu)溶時(shi)效(xiao)(xiao)處理后(hou)(hou)，組織中析(xi)出大量(liang)次(ci)生(sheng)片(pian)(pian)層狀(zhuang)α 相(xiang)，此(ci)時(shi)當沖擊形成的(de)裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)向材(cai)(cai)料(liao)內部擴(kuo)展遇到取向不(bu)同的(de)次(ci)生(sheng)α 片(pian)(pian)層時(shi)，裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)會發生(sheng)分解，使得一大部分裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)方向發生(sheng)改變(bian)，隨之沿著次(ci)生(sheng)α片(pian)(pian)層的(de)最易(yi)動位向進行擴(kuo)展，而大量(liang)次(ci)生(sheng)α 片(pian)(pian)層之間相(xiang)互縱橫交叉，次(ci)生(sheng)裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)的(de)擴(kuo)展方向會不(bu)斷發生(sheng)改變(bian)，所以α 片(pian)(pian)層形貌上(shang)的(de)粗化現象，會導致斷裂(lie)(lie)韌(ren)(ren)性(xing)值(zhi)不(bu)斷下降(jiang)，時(shi)效(xiao)(xiao)溫度(du)(du)高(gao)(gao)于(yu)550℃之后(hou)(hou)，斷裂(lie)(lie)韌(ren)(ren)性(xing)值(zhi)降(jiang)低很快；就材(cai)(cai)料(liao)強(qiang)韌(ren)(ren)性(xing)而言，500～550℃之間時(shi)，其抗拉(la)強(qiang)度(du)(du)降(jiang)低不(bu)多，力(li)學性(xing)能(neng)比較平穩(降(jiang)幅(fu)在1.01%)，并且延(yan)(yan)伸(shen)(shen)率增幅(fu)較大(增幅(fu)在25.9%)，隨后(hou)(hou)當溫度(du)(du)高(gao)(gao)于(yu)550℃時(shi)，其延(yan)(yan)伸(shen)(shen)率急劇(ju)下降(jiang)后(hou)(hou)又逐漸恢復平穩狀(zhuang)態。結合室溫拉(la)伸(shen)(shen)性(xing)能(neng)與沖擊性(xing)能(neng)，當固(gu)(gu)溶時(shi)效(xiao)(xiao)制(zhi)度(du)(du)為(wei)(wei)950℃×1.5h.AC+550℃×6h.AC時(shi)，斷裂(lie)(lie)韌(ren)(ren)性(xing)值(zhi)為(wei)(wei)56J/cm2，抗拉(la)強(qiang)度(du)(du)為(wei)(wei)910MPa，延(yan)(yan)伸(shen)(shen)率為(wei)(wei)19%，實現了材(cai)(cai)料(liao)強(qiang)韌(ren)(ren)化的(de)協同提高(gao)(gao)。

表3 不同時效狀態下(xia)力學性能(neng)

結論

⑴TC20鈦合金鍛(duan)棒在固溶時效處理后為(wei)典型(xing)的(de)混合組織，并且隨(sui)著(zhu)時效溫度的(de)不斷升高，次(ci)生(sheng)α相的(de)形態由(you)細針(zhen)狀(zhuang)逐漸轉變為(wei)板條狀(zhuang)，發(fa)生(sheng)熱激活下的(de)粗化現象。

⑵初(chu)生α 相(xiang)的(de)含量以及形貌對(dui)試驗所設(she)時效溫度不(bu)敏感。

⑶固溶時(shi)效制度為(wei)950 ℃×1.5h.AC+550 ℃×6h.AC 時(shi)，斷裂韌(ren)性(xing)值為(wei)56J/cm2，抗拉強(qiang)度為(wei)910MPa，延伸率為(wei)19%，實現了鍛造棒(bang)材強(qiang)韌(ren)化的協同提高。