固溶时效处(chu)理对(dui)TA10钛(tai)合(he)金(jin)组(zu)织与(yu)力学(xue)性能的影响(xiang)

钛(tai)及钛合金具(ju)有(you)无(wu)磁性，良(liang)好耐(nai)腐(fu)蚀性和生物兼容(rong)性等(deng)众多优(you)异特性，在汽(qi)车(che)工(gong)业、海(hai)洋(yang)工(gong)程(cheng)、生物医(yi)疗等(deng)领域(yu)均(jun)有广泛(fan)应(ying)用[1–2]。TA10钛合(he)金(jin)是一种(zhong)常(chang)见的近(jin)α型(xing)钛(tai)合金，该合金(jin)是替代高成(cheng)本(ben)Ti–0.2Pd合金而(er)发明(ming)的(de)，因为(wei)其(qi)具(ju)有优异的耐(nai)腐蚀性(xing)，较低的成(cheng)本，该合金(jin)在(zai)石油与化(hua)工领域得到(dao)广(guang)泛(fan)应(ying)用(yong)[3–4]。

TA10合(he)金的应用领域(yu)不(bu)断(duan)增加，国(guo)内(nei)外学(xue)者对该合金(jin)做(zuo)了大量的研(yan)究(jiu)，苏娟(juan)华等(deng)[5]研究(jiu)了TA10钛合金(jin)的高温(wen)拉(la)伸断(duan)裂(lie)极限，结(jie)果(guo)表(biao)明：应变速(su)率(lv)和温度的改变对该(gai)合(he)金(jin)断(duan)裂(lie)极(ji)限(xian)值(zhi)影(ying)响(xiang)较(jiao)大(da)，提升变(bian)形(xing)温(wen)度(du)会提高合金的(de)断裂极限值(zhi)，而提(ti)高(gao)应(ying)变速(su)率(lv)会(hui)降(jiang)低(di)合金的断(duan)裂(lie)极(ji)限值(zhi)。许(xu)耀(yao)平等(deng)[6]进行了电(dian)子(zi)束(shu)冷(leng)床炉(lu)熔铸(zhu)TA10钛(tai)合(he)金(jin)非(fei)对(dui)称流动(dong)及(ji)凝(ning)固过程(cheng) 数(shu)值(zhi)模(mo)拟(ni)，结(jie)果(guo)表(biao)明：形(xing)成(cheng)非(fei)对(dui)称(cheng)熔池(chi)的必要条(tiao)件为(wei)传热(re)和流(liu)动(dong)，钛(tai)溶(rong)液流入(ru)结(jie)晶器(qi)的(de)过(guo)程(cheng)中，部(bu)分(fen)溶(rong)液会(hui)侵蚀(shi)凝固坯(pi)壳(ke)，而(er)另(ling)一部(bu)分(fen)因(yin)为温(wen)度(du)不(bu)同(tong)导(dao)致(zhi)密度(du)改(gai)变(bian)，进(jin)而使(shi)其(qi)重(zhong)返(fan)液面。

虽然对TA10合金的(de)研(yan)究领(ling)域众(zhong)多，但(dan)对(dui)该(gai)合(he)金的(de)组织(zhi)与(yu)性能研究(jiu)目前仍是主(zhu)要研(yan)究方(fang)向，本文选取(qu)确(que)定(ding)固溶温(wen)度，改(gai)变时效(xiao)温度(du)，分(fen)析固(gu)溶(rong)时效对(dui)合金组(zu)织与力(li)学(xue)性(xing)能(neng)的(de)关系(xi)，为(wei)该(gai)合(he)金(jin)的(de)进一(yi)步应(ying)用(yong)作(zuo)出(chu)参考(kao)。

实(shi)验(yan)材(cai)料(liao)与(yu)方法

本实(shi)验选用(yong)的(de)材料(liao)为(wei)TA10钛合金，该(gai)合金(jin)的(de)名(ming)义成(cheng)分(fen)为Ti–0.3Mo–0.8Ni，通(tong)过ICP（电感耦(ou)合(he)等(deng)离子体(ti)技术(shu)）测得(de)实(shi)验用合金的化(hua)学成分为：w(Mo)=0.28%、(Ni)=0.77%、w(O)=0.05%、w(Fe)=0.074%、Ti余(yu)量(liang)。通(tong)过(guo)金(jin)相法测(ce)定(ding)实(shi)验(yan)用合金的相(xiang)变点(dian)为890~895℃。随后(hou)选(xuan)取(qu)860℃为固溶温度(du)，对其(qi)进(jin)行固溶(rong)处理，随(sui)后选(xuan)取(qu)520、540和560℃3组(zu)温(wen)度对(dui)其(qi)进(jin)行时(shi)效(xiao)处理，具体(ti)制(zhi)度(du)如表(biao)1所(suo)示(shi)（WQ为(wei)水(shui)冷(leng)，AC为空(kong)冷），将(jiang)经固溶时(shi)效处(chu)理后(hou)的(de)合(he)金(jin)进(jin)行(xing)切(qie)割加(jia)工(gong)，制(zhi)成(cheng)金(jin)相(xiang)试样(yang)与(yu)室温(wen)拉(la)伸(shen)试样。

合(he)金的金(jin)相组(zu)织(zhi)观(guan)察使(shi)用(yong)Axiomatic光学显微镜(jing)，使用Instron电子(zi)万能实验(yan)机进(jin)行拉(la)伸实(shi)验(yan)测(ce)试，每组(zu)拉(la)伸实验(yan)测(ce)试3个试样(yang)，最后(hou)取(qu)其(qi)平(ping)均(jun)值(zhi)，使(shi)用(yong)Ziss电子(zi)扫(sao)描(miao)显微(wei)镜观(guan)察拉(la)伸(shen)断口(kou)微(wei)观(guan)形貌。

实(shi)验结(jie)果与分(fen)析

金相(xiang)组(zu)织(zhi)

图1为经(jing)固(gu)溶(rong)时效处(chu)理后(hou)的(de)金(jin)相组织，由(you)图(tu)1可(ke)得(de)，合金经(jing)860℃固(gu)溶处(chu)理(li)后(hou)，金相(xiang)组织由初生(sheng)α相和(he)β转(zhuan)变组(zu)织(zhi)组成(cheng)，其(qi)中(zhong)β转变组(zu)织由细小(xiao)的次生(sheng)α′相和残余β相(xiang)组(zu)成，此时(shi)组(zu)织为(wei)典型的(de)双态组(zu)织(zhi)，因为合金相变(bian)温度为(wei)890~895℃，当合金加(jia)热到(dao)860℃时，组织(zhi)中(zhong)α相发生部分溶解(jie)，当(dang)进行(xing)水(shui)冷处理(li)后(hou)，组(zu)织(zhi)中(zhong)发生β→α相(xiang)转(zhuan)变(bian)，导(dao)致(zhi)组织(zhi)中的(de)α相(xiang)的(de)由2部分组织，一(yi)部分为(wei)组织(zhi)原始(shi)存在的α相，另(ling)一部(bu)分为新转变而来的(de)α相[7]。又因(yin)为水冷(leng)处(chu)理时(shi)的过(guo)冷(leng)度(du)较大(da)，组(zu)织形成过饱(bao)和固(gu)溶体(ti)，形成(cheng)亚(ya)稳定β相(xiang)和次生α′相[8]。当合金(jin)经固溶处(chu)理(li)再进行(xing)500℃时效处理后，组(zu)织(zhi)中(zhong)初(chu)生α相含量与形(xing)貌(mao)变(bian)化(hua)较小(xiao)，组(zu)织(zhi)中亚(ya)稳(wen)定(ding)β相(xiang)分解(jie)，形(xing)成稳定(ding)的(de)β相(xiang)以(yi)及(ji)次生αs相，此(ci)时(shi)组(zu)织中(zhong)初(chu)生(sheng)α相(xiang)含量(liang)与(yu)形貌变化(hua)较小，而(er)时效形成(cheng)的(de)次(ci)生αs相体积(ji)较为细小(xiao)且(qie)含量(liang)较少，随(sui)着时(shi)效(xiao)温(wen)度(du)升高(gao)到(dao)520℃，组织(zhi)中析出的次生(sheng)αs相更(geng)加细小，且(qie)含(han)量明(ming)显增(zeng)多(duo)，当(dang)时效(xiao)温度(du)达到(dao)540℃时(shi)，次生(sheng)αs相含(han)量(liang)继续增大，形貌更加细小(xiao)均(jun)匀(yun)，但初(chu)生α相(xiang)含(han)量几(ji)乎(hu)不变(bian)。

因为合(he)金经固溶处理(li)后会形成过(guo)饱(bao)和(he)固溶体(ti)，在(zai)随(sui)后的时效(xiao)的(de)过(guo)程中过(guo)饱(bao)和固(gu)溶体(ti)会(hui)发生分解(jie)，其中主(zhu)要(yao)的(de)变(bian)化(hua)为亚(ya)稳定β相(xiang)发生分解为(wei)αs相(xiang)和(he)稳定β相(xiang)，而(er)在(zai)固溶(rong)过(guo)程中(zhong)形成的(de)α′相(xiang)会(hui)逐(zhu)渐分解，最后转(zhuan)变成(cheng)α相(xiang)，故(gu)经时效(xiao)后(hou)的(de)组(zu)织由αs相、α相、稳定(ding)β相构成(cheng)[9–10]。

拉伸性能(neng)

图2为(wei)经(jing)固溶(rong)时(shi)效(xiao)处(chu)理(li)后的拉(la)伸(shen)性(xing)能(neng)，由图(tu)2可得，合金(jin)在只经(jing)固溶(rong)处理后，其抗(kang)拉强(qiang)度（Rm）为510MPa，屈(qu)服(fu)强度(du)（Rp0.2）为395MPa，延(yan)伸率（A）为23%。当再经(jing)时(shi)效(xiao)处(chu)理(li)后(hou)，其强(qiang)度增大(da)，塑(su)性(xing)降(jiang)低，随(sui)着时效温度升(sheng)高(gao)，趋(qu)势(shi)不(bu)变，其(qi)中(zhong)在时(shi)效(xiao)温度(du)为540℃时强(qiang)度最(zui)大(da)，其抗(kang)拉(la)强(qiang)度为(wei)548MPa，屈服强度为(wei)432MPa，而时效(xiao)温度为500℃时塑性最(zui)大，延伸(shen)率(lv)为(wei)17%。

合金(jin)经(jing)时(shi)效处理后强(qiang)度升高(gao)，这是(shi)因为时效(xiao)过程是(shi)析出(chu)相强(qiang)化的(de)过(guo)程(cheng)，合(he)金(jin)经(jing)时(shi)效(xiao)后，组织中会形(xing)成(cheng)较(jiao)固(gu)溶处(chu)理后(hou)更(geng)加(jia)细(xi)小(xiao)的(de)αs相(xiang)，在合(he)金进行拉伸(shen)时，位错在(zai)穿过细(xi)小的αs相(xiang)时(shi)，产(chan)生(sheng)的(de)形变不(bu)能快速(su)的(de)分(fen)散，导致(zhi)位(wei)错(cuo)塞(sai)积(ji)产(chan)生(sheng)，增(zeng)加(jia)晶(jing)界(jie)位(wei)置的应力，增(zeng)加合(he)金强度。随着(zhe)时效温(wen)度(du)的(de)增加(jia)，合(he)金中的(de)αs相含量(liang)不断(duan)增(zeng)加(jia)，形貌(mao)更(geng)加细小均(jun)匀(yun)，在产(chan)生位错塞积(ji)的同(tong)时(shi)，会进(jin)一步(bu)增(zeng)加滑移(yi)过程(cheng)中的(de)阻碍(ai)效(xiao)果(guo)，导致(zhi)合金强(qiang)度(du)进(jin)一步增(zeng)加[11–12]。通(tong)过图2还(hai)以发(fa)现(xian)，合金(jin)的延(yan)伸(shen)率始终(zhong)较好，这是(shi)因(yin)为时(shi)效的(de)过程对组织(zhi)中(zhong)初生α相的(de)含量(liang)和形貌(mao)并无(wu)较(jiao)大影响，此时(shi)因(yin)为(wei)初生(sheng)α相(xiang)具(ju)有(you)等轴形貌，等(deng)轴状的(de)α相(xiang)在(zai)变(bian)形时(shi)，其(qi)具有较(jiao)好(hao)的协调性(xing)，促(cu)进(jin)滑(hua)移的(de)开始，导致(zhi)合金(jin)具(ju)有(you)较好(hao)的(de)塑性[13]。

断(duan)口微观形(xing)貌

图3为(wei)经固(gu)溶(rong)时效处(chu)理后(hou)的(de)拉(la)伸(shen)断(duan)口微(wei)观形(xing)貌，由(you)图(tu)3可(ke)得，经(jing)固溶(rong)时效(xiao)处理后，合金(jin)的拉伸(shen)断口形(xing)貌(mao)均以等(deng)轴(zhou)状的韧窝（位置(zhi)A）为主(zhu)。合(he)金在拉(la)伸时，因(yin)为(wei)应变速(su)度(du)较(jiao)快(kuai)，位(wei)错在(zai)运动(dong)过程(cheng)中(zhong)产(chan)生(sheng)应(ying)力(li)集(ji)，进(jin)而导致微(wei)孔开始(shi)成(cheng)核，随着塑性变(bian)形(xing)不断进行(xing)，位错在运动(dong)过程(cheng)中所受的(de)排斥(chi)力(li)减小(xiao)，部(bu)分(fen)位(wei)错进(jin)入(ru)微孔(kong)内(nei)，再次激活位错(cuo)源，因(yin)为拉伸(shen)过程(cheng)中位(wei)错不(bu)断(duan)形成(cheng)，而(er)微孔中(zhong)会不断(duan)有(you)新(xin)形成的(de)位(wei)错(cuo)进入(ru)，使得(de)微(wei)孔逐(zhu)渐(jian)长大(da)，随(sui)后微(wei)孔都(dou)汇聚于断(duan)口位(wei)置(zhi)并(bing)且(qie)留下痕迹，最后形成大(da)量韧(ren)窝(wo)[14]。

当合(he)金经时(shi)效处理(li)后，断口微观形貌中(zhong)会出(chu)现一定(ding)数(shu)量(liang)的二次裂(lie)纹（位(wei)置B），这是因为时效后组(zu)织(zhi)中(zhong)形成了(le)大(da)量(liang)的αs相(xiang)，在拉(la)伸(shen)时因(yin)为位(wei)错(cuo)运(yun)动(dong)过(guo)程(cheng)中(zhong)会(hui)受到一(yi)定(ding)的(de)阻塞，使位错发生(sheng)偏移，二次(ci)裂纹(wen)的出(chu)现说(shuo)明强度(du)进一步增(zeng)大。当时(shi)效(xiao)温(wen)度继续(xu)增(zeng)大(da)，断(duan)口(kou)微观(guan)形(xing)貌(mao)中(zhong)出现(xian)明(ming)显(xian)的撕裂(lie)棱(leng)，且(qie)断裂形貌(mao)有明显(xian)的(de)起(qi)伏(fu)，这是(shi)组织(zhi)中(zhong)αs相(xiang)进(jin)一(yi)步增(zeng)多(duo)所(suo)致(zhi)，宏观(guan)表现(xian)为(wei)合金强(qiang)度(du)进一步增大(da)，与(yu)实(shi)际(ji)结果相(xiang)一致。

结(jie)束语

（1）合金(jin)经固溶(rong)处理后，金相(xiang)组(zu)织(zhi)由初(chu)生(sheng)α相和β转变(bian)组(zu)织(zhi)组(zu)成，其中β转(zhuan)变组(zu)织(zhi)由细(xi)小的次(ci)生(sheng)α′相和残(can)余β相组成，此(ci)时组(zu)织为典型(xing)的(de)双(shuang)态(tai)组(zu)织(zhi)，经(jing)时效(xiao)处理后(hou)，会形成(cheng)细(xi)小的(de)次(ci)生(sheng)αs相，时效(xiao)温度越高(gao)αs相(xiang)越细(xi)小。

（2）合(he)金经固(gu)溶(rong)处理后，其抗(kang)拉(la)强(qiang)度为(wei)510MPa，屈服强(qiang)度(du)为395MPa，延(yan)伸率(lv)为23%，当(dang)再(zai)经(jing)时(shi)效处理后，其(qi)强(qiang)度(du)增大(da)，塑性降(jiang)低(di)，随着时效(xiao)温度(du)升(sheng)高(gao)，强(qiang)度(du)继续增(zeng)大，同(tong)时(shi)塑性继(ji)续降(jiang)低(di)。

（3）经(jing)固(gu)溶处理后，合金的拉伸(shen)断(duan)口(kou)形(xing)貌(mao)均是(shi)以等轴状的(de)韧窝为主(zhu)，当合金经时效(xiao)处(chu)理(li)后(hou)，断(duan)口(kou)微观(guan)形(xing)貌中(zhong)会出(chu)现二次(ci)裂(lie)纹，当时(shi)效(xiao)温度(du)继续增(zeng)大，断口微(wei)观形貌(mao)中(zhong)出(chu)现明(ming)显(xian)的撕裂(lie)棱(leng)。

参(can)考(kao)文(wen)献(xian)

[1]王(wang)庆(qing)娟，田(tian)云(yun)飞(fei)，高贝(bei)特(te)，等(deng). 工(gong)业纯钛(tai)TA1的双道(dao)次(ci)热压缩(suo)变形及软(ruan)化行为. 金(jin)属(shu)热(re)处(chu)理，2022，47(4)：75

[2]刘(liu)晓镇(zhen)，韩恩厚(hou)，宋影(ying)伟(wei). 微(wei)观(guan)组织对(dui)TA2和(he)TC4氢损伤行为影响(xiang). 中国(guo)有(you)色金属学报(bao)，2023，33(2)：307

[3]刘全明，龙(long)伟(wei)民，傅(fu)莉(li)，等. 氢(qing)致TA10钛(tai)合(he)金(jin)焊(han)接(jie)接(jie)头拉(la)伸(shen)性能演(yan)变(bian). 焊(han)接(jie)学(xue)报，2020，41(12)：20

[4]张(zhang)晋(jin)，王永(yong)强(qiang)，户(hu)如意，等. 大(da)规(gui)格(ge)TA10钛(tai)合(he)金铸锭生产(chan)工艺(yi)研究. 世界(jie)有(you)色金属(shu)，2020(23)：127

[5]苏(su)娟(juan)华(hua)，邵(shao)鹏(peng)，任(ren)凤章(zhang). TA10钛(tai)合金(jin)的高(gao)温(wen)拉伸(shen)断裂(lie)极限. 金属热处理，2018，43(4)：24

[6]许(xu)耀(yao)平(ping)，陈(chen)其朋(peng)，刘(liu)源(yuan)，等(deng). 电子束冷(leng)床炉(lu)熔(rong)铸TA10钛合(he)金(jin)非对称(cheng)流(liu)动(dong)及凝固(gu)过(guo)程(cheng)数值模(mo)拟（英文）. 稀(xi)有(you)金属材料(liao)与(yu)工程(cheng)，2020，49(11)：3761

[7]王(wang)绍灼，孟晗(han)，王芬(fen)，等. 改善低氧(yang)TC4-LC及重(zhong)熔TC4钛(tai)合(he)金性(xing)能的(de)热(re)处理工艺. 金(jin)属(shu)热(re)处理，2022，47(4)：204

[8]李冬，曾(ceng)卫东(dong)，李欣(xin)，等. Ti60合金保温过程中(zhong)片状组织(zhi)的(de)粗(cu)化(hua)行为. 稀有金属，2022，46(3)：273

[9]肖(xiao)寒，于佳(jia)新，张宏宇，等(deng). 退火(huo)温(wen)度(du)对新型(xing)高(gao)强耐(nai)蚀钛(tai)合(he)金组织(zhi)与(yu)性能的影响(xiang). 稀(xi)有金(jin)属(shu)材(cai)料(liao)与(yu)工(gong)程，2022，51(3)：947

[10]张明玉，运(yun)新兵，伏洪(hong)旺(wang). 不(bu)同热(re)处(chu)理(li)工(gong)艺(yi)对TC10钛合(he)金(jin)组(zu)织(zhi)及(ji)性(xing)能(neng)的(de)影(ying)响(xiang). 塑性工(gong)程学报，2021，28(12)：237

[11]Zhang M Y, Fu H W, Yun X B. Effect of isothermal annealing on the microstructure and impact properties of TC10 titanium alloy. J Phys Conf Ser, 2021, 2044: Art No. 012037

[12]贺(he)韡(wei)，雷(lei)文杰，彭(peng)丹(dan)迪(di). 去应(ying)力(li)退火对TB15钛(tai)合金力学性(xing)能(neng)和(he)组织的(de)影(ying)响(xiang). 热(re)加工(gong)工(gong)艺(yi)，2021，50(24)：146

[13]王博涵，程(cheng)礼(li)，崔(cui)文斌，等(deng). 锻造工(gong)艺(yi)对TC4钛(tai)合(he)金组(zu)织(zhi)和(he)力(li)学(xue)性(xing)能的影(ying)响. 热(re)加工工(gong)艺，2021，50(23)：17

[14]Huang Y, Gao H, Nix W D, et al. Mechanism-based strain gradient plasticity –II. Analysis. J Mech Phys Solids, 2000, 48(1):99

基金项目(mu)：新(xin)疆钛基新(xin)材(cai)料重点实验(yan)室(shi)资(zi)助(zhu)项目(mu)（XR/KY-XD-21005）；自治(zhi)区创(chuang)新环(huan)境（人(ren)才、基地）建设(she)专项(xiang)资助(zhu)项目(mu)（XJQY2009）。

作者简(jian)介：杨(yang)梦迪（1995—），女，新疆(jiang)哈(ha)密人(ren)，本(ben)科，助(zhu)理工(gong)程(cheng)师(shi)，主(zhu)要从(cong)事(shi)钛及钛合金生(sheng)产(chan)以(yi)及质量(liang)管理(li)工(gong) 作 。 通(tong)信(xin)地(di)址：新疆湘润(run)新材(cai)料科(ke)技有(you)限(xian)公(gong)司 ，E-mail：924168452@http://www.gzhwkf.com。

相关链(lian)接(jie)