鈦及鈦合金因其(qi)密度小(xiao)、比強(qiang)度高、耐腐蝕和(he)(he)生(sheng)物相容性(xing)好等優良性(xing)能，是極其(qi)重要(yao)的輕質結構材料，廣(guang)泛用(yong)于航空航天以及(ji)生(sheng)物醫(yi)學等領域，具有重要(yao)的應用(yong)價值和(he)(he)廣(guang)闊(kuo)的應用(yong)前景，與傳統同(tong)類醫(yi)用(yong)鈦(tai)合(he)金(jin)TC4相比而(er)言，TC20鈦(tai)合(he)金(jin)選用(yong)原子濃(nong)度相同(tong)且性(xing)能與組織穩(wen)定、無毒害作用(yong)的Nb替(ti)代(dai)V，解(jie)決(jue)了TC20鈦(tai)合(he)金(jin)作為醫(yi)用(yong)置換(huan)術關鍵性(xing)材料的難題。

固(gu)溶(rong)時(shi)效又稱強(qiang)化(hua)熱(re)(re)處理，通過調控鈦(tai)合(he)(he)金(jin)相(xiang)(xiang)變過程實現強(qiang)化(hua)效果，是TC20等(deng)(deng)α+β型(xing)合(he)(he)金(jin)*主要的熱(re)(re)處理方式。目前對(dui)(dui)于TC20的工業化(hua)研究(jiu)只(zhi)限于熱(re)(re)連軋(ya)線材(cai)(cai)與板材(cai)(cai)軋(ya)制(zhi)等(deng)(deng)領域，而對(dui)(dui)于全流程等(deng)(deng)溫鍛造(zao)的小(xiao)(xiao)規格棒材(cai)(cai)組織與性能的研究(jiu)相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)較少，為此本文研究(jiu)了不同時(shi)效溫度下TC20鈦(tai)合(he)(he)金(jin)鍛造(zao)棒材(cai)(cai)的組織演變及(ji)熱(re)(re)處理工藝(yi)對(dui)(dui)其組織和性能的影響，旨在為全流程鍛造(zao)生產的TC20小(xiao)(xiao)尺寸鈦(tai)合(he)(he)金(jin)棒材(cai)(cai)提(ti)供生產經驗。

試驗材料以及方法

試驗所用材料為寶(bao)雞鈦業股份有限公(gong)司(si)生產，經真空(kong)自耗電弧爐二次(ci)熔煉(lian)的(de)φ696mm錠(ding)型(xing)鑄錠(ding)，經過β區(qu)開坯鍛造+兩(liang)相區(qu)鍛造(鐓粗和(he)拔長)+兩(liang)相區(qu)徑向鍛造等一系列工序生產的(de)φ32mm棒材。根據YS/T 1262-2018的(de)試驗方法測(ce)得化學成(cheng)分見表(biao)1，經金相法測(ce)得該(gai)棒材本體相變點(dian)為1001℃。

表1鑄錠化(hua)學成分(fen)(質量分(fen)數，%)

熱處理試驗在箱式電阻爐中進行，表2為熱處理制度；檢測顯(xian)(xian)微組織(zhi)采用Axiovert 200 MAT光(guang)學顯(xian)(xian)微鏡，利用Clemexe成像軟件(jian)配合光(guang)學顯(xian)(xian)微鏡確定顯(xian)(xian)微組織(zhi)中初生α相的體積分數，室溫拉伸性(xing)能檢測使(shi)用Instron 5885電子(zi)*材料試驗機，室溫沖擊(ji)(ji)韌性(xing)使(shi)用JNS 300擺錘式沖擊(ji)(ji)試驗機。

表2經鍛棒材熱處理制(zhi)度

試驗(yan)結果(guo)與討(tao)論分(fen)析

時效溫度對材料微觀組(zu)織的影響

TC20固(gu)溶(rong)時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)主(zhu)要依靠轉(zhuan)變β組(zu)織(zhi)在(zai)(zai)后續(xu)的(de)(de)(de)(de)長(chang)時(shi)(shi)間(jian)時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)過(guo)程中析出(chu)彌散的(de)(de)(de)(de)α固(gu)溶(rong)體(ti)，使合金(jin)在(zai)(zai)強韌性(xing)方(fang)面得(de)到(dao)協同(tong)提高。TC20鈦合金(jin)鍛棒在(zai)(zai)經(jing)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)區固(gu)溶(rong)+時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)處理后的(de)(de)(de)(de)顯微(wei)組(zu)織(zhi)為典(dian)型(xing)的(de)(de)(de)(de)混合組(zu)織(zhi)，由初生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)等(deng)(deng)軸(zhou)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)與(yu)(yu)β轉(zhuan)變組(zu)織(zhi)組(zu)成，如圖(tu)1(a)所示(shi)。經(jing)950℃高溫(wen)(wen)固(gu)溶(rong)隨(sui)(sui)(sui)后空(kong)冷，會獲得(de)大(da)量(liang)的(de)(de)(de)(de)針(zhen)狀次生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)及少(shao)數殘留β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，在(zai)(zai)隨(sui)(sui)(sui)后的(de)(de)(de)(de)低(di)溫(wen)(wen)時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)過(guo)程中，形(xing)(xing)成少(shao)量(liang)時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)ω相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和(he)β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)。隨(sui)(sui)(sui)著(zhu)時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)溫(wen)(wen)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)不斷(duan)(duan)升(sheng)高，初生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)含量(liang)與(yu)(yu)尺(chi)寸(cun)(cun)變化不大(da)，這是(shi)由于950℃固(gu)溶(rong)溫(wen)(wen)度(du)(du)在(zai)(zai)TC20合金(jin)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)變點(dian)附近(jin)，較(jiao)(jiao)高的(de)(de)(de)(de)固(gu)溶(rong)溫(wen)(wen)度(du)(du)使得(de)過(guo)飽和(he)度(du)(du)增大(da)，而(er)轉(zhuan)變β組(zu)織(zhi)在(zai)(zai)熱力學上屬于亞(ya)穩(wen)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，隨(sui)(sui)(sui)后的(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)過(guo)程屬于亞(ya)穩(wen)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)緩慢(man)分(fen)解(jie)與(yu)(yu)析出(chu)，而(er)亞(ya)穩(wen)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)分(fen)解(jie)與(yu)(yu)析出(chu)優(you)先在(zai)(zai)晶界(jie)等(deng)(deng)能(neng)量(liang)較(jiao)(jiao)高的(de)(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)發(fa)生(sheng)(sheng)，對于尺(chi)寸(cun)(cun)較(jiao)(jiao)大(da)的(de)(de)(de)(de)初生(sheng)(sheng)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)基本不會產生(sheng)(sheng)影響。次生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)片層(ceng)(ceng)對隨(sui)(sui)(sui)后的(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)溫(wen)(wen)度(du)(du)更加敏感，在(zai)(zai)時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)過(guo)程中，次生(sheng)(sheng)片層(ceng)(ceng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)從β晶界(jie)、α/β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)界(jie)及α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)晶內析出(chu)，其(qi)形(xing)(xing)貌表(biao)現為細(xi)長(chang)而(er)又平直的(de)(de)(de)(de)松(song)針(zhen)狀，如圖(tu)1(d)所示(shi)。并且次生(sheng)(sheng)α形(xing)(xing)貌以及尺(chi)寸(cun)(cun)隨(sui)(sui)(sui)著(zhu)時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)溫(wen)(wen)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)升(sheng)高發(fa)生(sheng)(sheng)趨勢性(xing)變化：⑴當時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)溫(wen)(wen)度(du)(du)為500/525℃時(shi)(shi)，次生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)與(yu)(yu)其(qi)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)組(zu)元之間(jian)的(de)(de)(de)(de)邊(bian)界(jie)比較(jiao)(jiao)模(mo)糊，而(er)隨(sui)(sui)(sui)著(zhu)時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)溫(wen)(wen)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)不斷(duan)(duan)升(sheng)高，次生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)與(yu)(yu)周圍其(qi)他組(zu)元之間(jian)的(de)(de)(de)(de)邊(bian)界(jie)逐(zhu)漸變得(de)清晰；⑵隨(sui)(sui)(sui)著(zhu)時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)溫(wen)(wen)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)不斷(duan)(duan)升(sheng)高，次生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)貌由細(xi)針(zhen)狀逐(zhu)漸變得(de)短粗(cu)，進而(er)當溫(wen)(wen)度(du)(du)達到(dao)600℃時(shi)(shi)，變成典(dian)型(xing)的(de)(de)(de)(de)板條狀聚(ju)集分(fen)布，寬度(du)(du)達到(dao)500℃試樣(yang)的(de)(de)(de)(de)1.3～2倍。

圖1不同時(shi)效溫度下的(de)顯(xian)微組織

次生(sheng)細針狀α相(xiang)片層組織(zhi)的形貌粗化是一種外界溫(wen)(wen)度驅動下(xia)的熱力(li)學激(ji)活過程，并且時效溫(wen)(wen)度越高，為此激(ji)活過程會提供更多的生(sheng)長驅動力(li)，同時降低了系統(tong)(tong)中次生(sheng)組元的形核速率(lv)，當系統(tong)(tong)處于一定(ding)的溫(wen)(wen)度下(xia)，其(qi)(qi)次生(sheng)α相(xiang)的形核速率(lv)減慢，而(er)(er)此時的生(sheng)長驅動力(li)加(jia)快，進而(er)(er)必將促使次生(sheng)片層α相(xiang)發生(sheng)粗化，而(er)(er)其(qi)(qi)粗化速率(lv)受到溶質原(yuan)子的擴散率(lv)所控制(zhi)。

組織與(yu)力學(xue)性(xing)能的相(xiang)關性(xing)討論

TC20合金(jin)鍛造棒(bang)材(cai)不(bu)同(tong)(tong)時(shi)(shi)效狀態下(xia)力學(xue)性能見表3，棒(bang)材(cai)經固溶(rong)時(shi)(shi)效處(chu)理后，組織中析出大量次(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)片層(ceng)(ceng)狀α相，此(ci)時(shi)(shi)當沖(chong)擊形成的(de)(de)裂紋(wen)(wen)向(xiang)材(cai)料(liao)(liao)內部(bu)(bu)擴展遇到取(qu)向(xiang)不(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)次(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)α片層(ceng)(ceng)時(shi)(shi)，裂紋(wen)(wen)會發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)分解，使(shi)得一大部(bu)(bu)分裂紋(wen)(wen)方向(xiang)發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)改變，隨之(zhi)沿著次(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)α片層(ceng)(ceng)的(de)(de)*易動位向(xiang)進行(xing)擴展，而(er)大量次(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)α片層(ceng)(ceng)之(zhi)間(jian)相互縱橫交(jiao)叉，次(ci)生(sheng)(sheng)(sheng)裂紋(wen)(wen)的(de)(de)擴展方向(xiang)會不(bu)斷(duan)發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)改變，所以α片層(ceng)(ceng)形貌上的(de)(de)粗化現(xian)象，會導致(zhi)斷(duan)裂韌(ren)性值不(bu)斷(duan)下(xia)降(jiang)，時(shi)(shi)效溫度(du)(du)高于550℃之(zhi)后，斷(duan)裂韌(ren)性值降(jiang)低很快；就(jiu)材(cai)料(liao)(liao)強韌(ren)性而(er)言，500～550℃之(zhi)間(jian)時(shi)(shi)，其抗(kang)拉強度(du)(du)降(jiang)低不(bu)多，力學(xue)性能比較平穩(wen)(降(jiang)幅(fu)(fu)在(zai)1.01%)，并且延伸(shen)率(lv)增幅(fu)(fu)較大(增幅(fu)(fu)在(zai)25.9%)，隨后當溫度(du)(du)高于550℃時(shi)(shi)，其延伸(shen)率(lv)急劇下(xia)降(jiang)后又(you)逐漸恢(hui)復平穩(wen)狀態。結合室溫拉伸(shen)性能與(yu)沖(chong)擊性能，當固溶(rong)時(shi)(shi)效制度(du)(du)為(wei)(wei)950℃×1.5h.AC+550℃×6h.AC時(shi)(shi)，斷(duan)裂韌(ren)性值為(wei)(wei)56J/cm2，抗(kang)拉強度(du)(du)為(wei)(wei)910MPa，延伸(shen)率(lv)為(wei)(wei)19%，實現(xian)了(le)材(cai)料(liao)(liao)強韌(ren)化的(de)(de)協同(tong)(tong)提高。

表3不同時效狀態下(xia)力學性能

結論

⑴TC20鈦合金鍛棒在(zai)固溶時效處理后為(wei)典型的(de)混合組織，并且隨著(zhu)時效溫度的(de)不(bu)斷(duan)升高，次生(sheng)α相(xiang)的(de)形(xing)態由細針狀逐漸轉變(bian)為(wei)板(ban)條狀，發生(sheng)熱激(ji)活下的(de)粗化現象。

⑵初(chu)生α相的含量以及形貌對試(shi)驗所設時效(xiao)溫度不敏感。

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