鈦及鈦合金因其密度(du)小(xiao)、比強度(du)高、耐(nai)腐蝕(shi)和生(sheng)物相容性(xing)(xing)好等(deng)優良性(xing)(xing)能，是極其重要(yao)(yao)的(de)輕質結構材料，廣(guang)泛用(yong)于航(hang)空航(hang)天以及生(sheng)物醫學等(deng)領域，具有重要(yao)(yao)的(de)應用(yong)價值和廣(guang)闊的(de)應用(yong)前景，與傳統同類醫用(yong)鈦合金(jin)TC4相比而言，TC20鈦合金(jin)選(xuan)用(yong)原子濃度(du)相同且性(xing)(xing)能與組織穩(wen)定、無(wu)毒害作用(yong)的(de)Nb替代V，解決了TC20鈦合金(jin)作為醫用(yong)置(zhi)換術(shu)關鍵性(xing)(xing)材料的(de)難題。

固溶時效(xiao)又稱強化(hua)(hua)熱(re)處理，通過調(diao)控鈦(tai)(tai)合金(jin)相(xiang)變過程(cheng)實現強化(hua)(hua)效(xiao)果，是(shi)TC20等(deng)(deng)α+β型合金(jin)最主要(yao)的(de)(de)(de)(de)熱(re)處理方式。目前(qian)對于(yu)TC20的(de)(de)(de)(de)工業(ye)化(hua)(hua)研(yan)究只(zhi)限于(yu)熱(re)連(lian)軋線(xian)材(cai)與板材(cai)軋制等(deng)(deng)領域，而對于(yu)全流程(cheng)等(deng)(deng)溫鍛造的(de)(de)(de)(de)小(xiao)規格棒材(cai)組(zu)織(zhi)與性(xing)(xing)能的(de)(de)(de)(de)研(yan)究相(xiang)對較少(shao)，為(wei)此(ci)本文(wen)研(yan)究了(le)不同(tong)時效(xiao)溫度下TC20鈦(tai)(tai)合金(jin)鍛造棒材(cai)的(de)(de)(de)(de)組(zu)織(zhi)演變及(ji)熱(re)處理工藝對其組(zu)織(zhi)和性(xing)(xing)能的(de)(de)(de)(de)影(ying)響，旨在(zai)為(wei)全流程(cheng)鍛造生產的(de)(de)(de)(de)TC20小(xiao)尺寸鈦(tai)(tai)合金(jin)棒材(cai)提供生產經驗(yan)。

試驗材料以及方(fang)法(fa)

試驗所用材(cai)料為寶(bao)雞鈦業(ye)股份有限公(gong)司生產，經真空自耗電弧(hu)爐(lu)二次熔(rong)煉的φ696mm錠型鑄(zhu)錠，經過(guo)β區(qu)開(kai)坯鍛(duan)造(zao)+兩(liang)相(xiang)區(qu)鍛(duan)造(zao)(鐓粗和拔(ba)長)+兩(liang)相(xiang)區(qu)徑(jing)向鍛(duan)造(zao)等一系列工序(xu)生產的φ32mm棒(bang)材(cai)。根(gen)據YS/T 1262-2018的試驗方法(fa)測得(de)化學(xue)成分見表1，經金(jin)相(xiang)法(fa)測得(de)該棒(bang)材(cai)本體相(xiang)變點為1001℃。

表1鑄錠化學(xue)成分(fen)(質量分(fen)數，%)

熱處(chu)理試驗(yan)在(zai)箱(xiang)式電阻(zu)爐中進行(xing)，表2為熱處(chu)理制度；檢測顯微(wei)組織采用(yong)Axiovert 200 MAT光(guang)學顯微(wei)鏡，利用(yong)Clemexe成像軟件配(pei)合光(guang)學顯微(wei)鏡確定顯微(wei)組織中初生α相的(de)體(ti)積分數，室溫拉伸性能(neng)檢測使用(yong)Instron 5885電子(zi)萬能(neng)材料試驗(yan)機，室溫沖(chong)擊(ji)韌性使用(yong)JNS 300擺錘(chui)式沖(chong)擊(ji)試驗(yan)機。

表(biao)2經鍛(duan)棒材熱處理制度

試驗結果與討(tao)論(lun)分析

時效(xiao)溫度對材料(liao)微觀組織的(de)影響

TC20固(gu)(gu)溶時(shi)效(xiao)(xiao)主要(yao)依(yi)靠轉變(bian)β組織(zhi)(zhi)在(zai)后(hou)續的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)長時(shi)間時(shi)效(xiao)(xiao)過程(cheng)中析(xi)出(chu)彌散的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)α固(gu)(gu)溶體，使合金在(zai)強韌(ren)性方面得(de)到(dao)協同提高(gao)(gao)。TC20鈦合金鍛(duan)棒在(zai)經相(xiang)(xiang)(xiang)區固(gu)(gu)溶+時(shi)效(xiao)(xiao)處理后(hou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)顯微組織(zhi)(zhi)為典型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)混合組織(zhi)(zhi)，由(you)(you)初(chu)(chu)生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)等軸α相(xiang)(xiang)(xiang)與β轉變(bian)組織(zhi)(zhi)組成(cheng)，如圖1(a)所示(shi)。經950℃高(gao)(gao)溫(wen)固(gu)(gu)溶隨(sui)后(hou)空冷，會(hui)獲得(de)大量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)針狀(zhuang)(zhuang)次生(sheng)(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)及(ji)(ji)少數殘留β相(xiang)(xiang)(xiang)，在(zai)隨(sui)后(hou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)低溫(wen)時(shi)效(xiao)(xiao)過程(cheng)中，形(xing)(xing)成(cheng)少量(liang)時(shi)效(xiao)(xiao)ω相(xiang)(xiang)(xiang)和β相(xiang)(xiang)(xiang)。隨(sui)著時(shi)效(xiao)(xiao)溫(wen)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)不斷升(sheng)(sheng)高(gao)(gao)，初(chu)(chu)生(sheng)(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)含量(liang)與尺(chi)寸變(bian)化不大，這是由(you)(you)于950℃固(gu)(gu)溶溫(wen)度(du)在(zai)TC20合金相(xiang)(xiang)(xiang)變(bian)點附近，較高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)固(gu)(gu)溶溫(wen)度(du)使得(de)過飽和度(du)增大，而(er)(er)轉變(bian)β組織(zhi)(zhi)在(zai)熱力(li)學上屬于亞穩(wen)相(xiang)(xiang)(xiang)，隨(sui)后(hou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)時(shi)效(xiao)(xiao)過程(cheng)屬于亞穩(wen)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)緩(huan)慢分(fen)解與析(xi)出(chu)，而(er)(er)亞穩(wen)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)解與析(xi)出(chu)優先在(zai)晶界等能(neng)量(liang)較高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)位(wei)置發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)，對于尺(chi)寸較大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)初(chu)(chu)生(sheng)(sheng)(sheng)相(xiang)(xiang)(xiang)基本(ben)不會(hui)產生(sheng)(sheng)(sheng)影響(xiang)。次生(sheng)(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)片層對隨(sui)后(hou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)時(shi)效(xiao)(xiao)溫(wen)度(du)更(geng)加敏感，在(zai)時(shi)效(xiao)(xiao)過程(cheng)中，次生(sheng)(sheng)(sheng)片層α相(xiang)(xiang)(xiang)從β晶界、α/β相(xiang)(xiang)(xiang)界及(ji)(ji)α相(xiang)(xiang)(xiang)晶內析(xi)出(chu)，其(qi)(qi)形(xing)(xing)貌表現為細長而(er)(er)又平(ping)直的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)松針狀(zhuang)(zhuang)，如圖1(d)所示(shi)。并且次生(sheng)(sheng)(sheng)α形(xing)(xing)貌以及(ji)(ji)尺(chi)寸隨(sui)著時(shi)效(xiao)(xiao)溫(wen)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)升(sheng)(sheng)高(gao)(gao)發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)趨勢性變(bian)化：⑴當時(shi)效(xiao)(xiao)溫(wen)度(du)為500/525℃時(shi)，次生(sheng)(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)與其(qi)(qi)相(xiang)(xiang)(xiang)組元之(zhi)間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)邊界比較模糊，而(er)(er)隨(sui)著時(shi)效(xiao)(xiao)溫(wen)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)不斷升(sheng)(sheng)高(gao)(gao)，次生(sheng)(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)與周(zhou)圍其(qi)(qi)他組元之(zhi)間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)邊界逐漸變(bian)得(de)清(qing)晰；⑵隨(sui)著時(shi)效(xiao)(xiao)溫(wen)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)不斷升(sheng)(sheng)高(gao)(gao)，次生(sheng)(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)貌由(you)(you)細針狀(zhuang)(zhuang)逐漸變(bian)得(de)短粗，進而(er)(er)當溫(wen)度(du)達到(dao)600℃時(shi)，變(bian)成(cheng)典型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)板條狀(zhuang)(zhuang)聚集分(fen)布，寬度(du)達到(dao)500℃試樣(yang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)1.3～2倍。

圖1不(bu)同(tong)時(shi)效(xiao)溫(wen)度下的顯微組織

次生(sheng)細(xi)針狀α相片層組織(zhi)的(de)形(xing)(xing)貌(mao)粗(cu)化是一種外界溫(wen)度(du)驅(qu)動下的(de)熱(re)力(li)學激活過程(cheng)，并且(qie)時(shi)效溫(wen)度(du)越高，為此激活過程(cheng)會(hui)提(ti)供更多的(de)生(sheng)長驅(qu)動力(li)，同時(shi)降低了系(xi)統(tong)中(zhong)次生(sheng)組元的(de)形(xing)(xing)核速(su)率(lv)，當(dang)系(xi)統(tong)處(chu)于(yu)一定的(de)溫(wen)度(du)下，其次生(sheng)α相的(de)形(xing)(xing)核速(su)率(lv)減慢(man)，而(er)此時(shi)的(de)生(sheng)長驅(qu)動力(li)加快，進而(er)必將促使次生(sheng)片層α相發生(sheng)粗(cu)化，而(er)其粗(cu)化速(su)率(lv)受(shou)到(dao)溶(rong)質原子的(de)擴散率(lv)所控制(zhi)。

組(zu)織與力學性能的相關性討論(lun)

TC20合(he)金鍛造棒材不(bu)同時(shi)(shi)效狀態下(xia)力學(xue)性(xing)(xing)能(neng)見表3，棒材經固(gu)溶時(shi)(shi)效處理后(hou)，組織中析出大量次(ci)(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)片層狀α相，此時(shi)(shi)當沖擊(ji)形成的(de)裂(lie)紋(wen)向(xiang)材料(liao)內部(bu)擴(kuo)展(zhan)(zhan)(zhan)遇到(dao)取(qu)向(xiang)不(bu)同的(de)次(ci)(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)α片層時(shi)(shi)，裂(lie)紋(wen)會(hui)發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)分(fen)解，使得一大部(bu)分(fen)裂(lie)紋(wen)方向(xiang)發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)改(gai)變，隨之沿著次(ci)(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)α片層的(de)最(zui)易動位向(xiang)進行擴(kuo)展(zhan)(zhan)(zhan)，而大量次(ci)(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)α片層之間相互縱橫交叉，次(ci)(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)裂(lie)紋(wen)的(de)擴(kuo)展(zhan)(zhan)(zhan)方向(xiang)會(hui)不(bu)斷(duan)發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)改(gai)變，所以(yi)α片層形貌上(shang)的(de)粗化現(xian)象(xiang)，會(hui)導致(zhi)斷(duan)裂(lie)韌(ren)(ren)性(xing)(xing)值(zhi)不(bu)斷(duan)下(xia)降(jiang)，時(shi)(shi)效溫度(du)(du)高于550℃之后(hou)，斷(duan)裂(lie)韌(ren)(ren)性(xing)(xing)值(zhi)降(jiang)低很快；就材料(liao)強(qiang)(qiang)韌(ren)(ren)性(xing)(xing)而言，500～550℃之間時(shi)(shi)，其(qi)抗拉強(qiang)(qiang)度(du)(du)降(jiang)低不(bu)多，力學(xue)性(xing)(xing)能(neng)比較(jiao)平穩(降(jiang)幅在1.01%)，并且延伸(shen)率增(zeng)幅較(jiao)大(增(zeng)幅在25.9%)，隨后(hou)當溫度(du)(du)高于550℃時(shi)(shi)，其(qi)延伸(shen)率急劇下(xia)降(jiang)后(hou)又逐漸恢復平穩狀態。結合(he)室(shi)溫拉伸(shen)性(xing)(xing)能(neng)與沖擊(ji)性(xing)(xing)能(neng)，當固(gu)溶時(shi)(shi)效制(zhi)度(du)(du)為(wei)950℃×1.5h.AC+550℃×6h.AC時(shi)(shi)，斷(duan)裂(lie)韌(ren)(ren)性(xing)(xing)值(zhi)為(wei)56J/cm2，抗拉強(qiang)(qiang)度(du)(du)為(wei)910MPa，延伸(shen)率為(wei)19%，實現(xian)了(le)材料(liao)強(qiang)(qiang)韌(ren)(ren)化的(de)協同提高。

表3不同時效(xiao)狀(zhuang)態下力學性能

結論

⑴TC20鈦合(he)金鍛棒在(zai)固溶時效處理(li)后為典型的(de)混合(he)組織，并且隨(sui)著時效溫度的(de)不斷(duan)升高(gao)，次生(sheng)α相的(de)形(xing)態(tai)由細針(zhen)狀逐(zhu)漸轉變為板條狀，發生(sheng)熱激活(huo)下的(de)粗(cu)化現象(xiang)。

⑵初生α相的含量以及(ji)形貌對(dui)試驗所設時(shi)效溫度不(bu)敏感。

⑶固溶時(shi)效制度為950℃×1.5h.AC+550℃×6h.AC時(shi)，斷(duan)裂韌(ren)性值為56J/cm2，抗(kang)拉強(qiang)度為910MPa，延伸率為19%，實現了鍛(duan)造棒材強(qiang)韌(ren)化的協同提高(gao)。