鈦及鈦合金因其密度小、比強度高、耐腐蝕和生(sheng)物相容性(xing)好等優良性(xing)能，是極其重要(yao)的輕質結構材料(liao)，廣泛(fan)用(yong)于航空航天以及(ji)生(sheng)物醫學等領(ling)域，具(ju)有重要(yao)的應用(yong)價(jia)值和廣闊的應用(yong)前景，與傳統(tong)同類醫用(yong)鈦合金TC4相比而言，TC20鈦合金選用(yong)原子濃度相同且(qie)性(xing)能與組織穩定、無毒害作用(yong)的Nb替代V，解決了(le)TC20鈦合金作為(wei)醫用(yong)置換術關鍵性(xing)材料(liao)的難題。

固溶時(shi)效又稱強化熱(re)處(chu)理(li)，通過調控鈦合(he)(he)金相(xiang)變過程(cheng)實(shi)現強化效果，是(shi)TC20等(deng)α+β型(xing)合(he)(he)金最主(zhu)要(yao)的(de)熱(re)處(chu)理(li)方式。目前對(dui)(dui)于TC20的(de)工業化研(yan)究(jiu)只(zhi)限于熱(re)連軋線(xian)材(cai)(cai)與板(ban)材(cai)(cai)軋制(zhi)等(deng)領(ling)域，而對(dui)(dui)于全(quan)流程(cheng)等(deng)溫(wen)鍛造(zao)的(de)小(xiao)規格棒(bang)材(cai)(cai)組(zu)織與性能的(de)研(yan)究(jiu)相(xiang)對(dui)(dui)較(jiao)少(shao)，為此本文研(yan)究(jiu)了不同時(shi)效溫(wen)度下(xia)TC20鈦合(he)(he)金鍛造(zao)棒(bang)材(cai)(cai)的(de)組(zu)織演變及熱(re)處(chu)理(li)工藝(yi)對(dui)(dui)其組(zu)織和(he)性能的(de)影響(xiang)，旨(zhi)在為全(quan)流程(cheng)鍛造(zao)生(sheng)(sheng)產(chan)的(de)TC20小(xiao)尺(chi)寸(cun)鈦合(he)(he)金棒(bang)材(cai)(cai)提供生(sheng)(sheng)產(chan)經驗。

試驗材(cai)料以及方法(fa)

試驗所用材(cai)(cai)料為寶(bao)雞鈦業股份有限公司(si)生(sheng)產，經(jing)真空(kong)自(zi)耗(hao)電弧爐(lu)二(er)次熔煉的φ696mm錠型(xing)鑄錠，經(jing)過β區開坯鍛(duan)造+兩(liang)(liang)相(xiang)區鍛(duan)造(鐓粗和拔長(chang))+兩(liang)(liang)相(xiang)區徑向鍛(duan)造等一系列(lie)工序(xu)生(sheng)產的φ32mm棒材(cai)(cai)。根據(ju)YS/T 1262-2018的試驗方法測得(de)化學成分見表1，經(jing)金相(xiang)法測得(de)該棒材(cai)(cai)本(ben)體(ti)相(xiang)變點為1001℃。

表1鑄(zhu)錠(ding)化(hua)學成分(質(zhi)量分數，%)

熱處(chu)理(li)試(shi)(shi)驗(yan)在箱式(shi)(shi)電(dian)阻(zu)爐中進(jin)行，表(biao)2為熱處(chu)理(li)制度；檢測(ce)顯(xian)微(wei)組(zu)織采用Axiovert 200 MAT光(guang)學(xue)顯(xian)微(wei)鏡，利用Clemexe成(cheng)像軟件配合(he)光(guang)學(xue)顯(xian)微(wei)鏡確定顯(xian)微(wei)組(zu)織中初生α相的體積(ji)分(fen)數，室溫(wen)拉(la)伸性(xing)能檢測(ce)使用Instron 5885電(dian)子萬能材料試(shi)(shi)驗(yan)機，室溫(wen)沖擊韌(ren)性(xing)使用JNS 300擺錘式(shi)(shi)沖擊試(shi)(shi)驗(yan)機。

表2經(jing)鍛棒材熱處理制(zhi)度

試(shi)驗結果與討(tao)論分析(xi)

時(shi)效溫度對材料微(wei)觀組織(zhi)的影響

TC20固(gu)(gu)溶時(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)主要依靠(kao)轉變(bian)(bian)β組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)在后(hou)(hou)(hou)續的(de)(de)(de)(de)(de)(de)長時(shi)間時(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)過程中(zhong)析(xi)(xi)出(chu)彌散的(de)(de)(de)(de)(de)(de)α固(gu)(gu)溶體，使合(he)(he)金(jin)(jin)在強韌(ren)性(xing)方面得(de)(de)到(dao)(dao)協(xie)同提高(gao)(gao)。TC20鈦合(he)(he)金(jin)(jin)鍛棒在經相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)區固(gu)(gu)溶+時(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)處理后(hou)(hou)(hou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)顯微組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)為典型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)混合(he)(he)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)，由(you)初生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)等(deng)軸α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)與(yu)β轉變(bian)(bian)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)組(zu)(zu)成(cheng)，如圖1(a)所示(shi)。經950℃高(gao)(gao)溫固(gu)(gu)溶隨后(hou)(hou)(hou)空冷，會(hui)獲得(de)(de)大(da)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)針(zhen)狀(zhuang)次(ci)(ci)生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)及少(shao)數殘留β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，在隨后(hou)(hou)(hou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)低(di)溫時(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)過程中(zhong)，形成(cheng)少(shao)量(liang)時(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)ω相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和(he)β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)。隨著時(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)溫度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)不斷升高(gao)(gao)，初生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)含量(liang)與(yu)尺寸(cun)變(bian)(bian)化不大(da)，這是由(you)于950℃固(gu)(gu)溶溫度在TC20合(he)(he)金(jin)(jin)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)變(bian)(bian)點(dian)附近(jin)，較高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)固(gu)(gu)溶溫度使得(de)(de)過飽和(he)度增大(da)，而(er)(er)轉變(bian)(bian)β組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)在熱力(li)學上屬于亞穩(wen)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，隨后(hou)(hou)(hou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)時(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)過程屬于亞穩(wen)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)緩慢分解與(yu)析(xi)(xi)出(chu)，而(er)(er)亞穩(wen)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)分解與(yu)析(xi)(xi)出(chu)優(you)先在晶界(jie)等(deng)能量(liang)較高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)位置發(fa)生(sheng)(sheng)，對于尺寸(cun)較大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)初生(sheng)(sheng)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)基本不會(hui)產生(sheng)(sheng)影響。次(ci)(ci)生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)片(pian)層對隨后(hou)(hou)(hou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)時(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)溫度更(geng)加敏感(gan)，在時(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)過程中(zhong)，次(ci)(ci)生(sheng)(sheng)片(pian)層α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)從β晶界(jie)、α/β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)界(jie)及α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)晶內(nei)析(xi)(xi)出(chu)，其形貌(mao)表現為細長而(er)(er)又平直的(de)(de)(de)(de)(de)(de)松針(zhen)狀(zhuang)，如圖1(d)所示(shi)。并且次(ci)(ci)生(sheng)(sheng)α形貌(mao)以及尺寸(cun)隨著時(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)溫度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)升高(gao)(gao)發(fa)生(sheng)(sheng)趨(qu)勢性(xing)變(bian)(bian)化：⑴當(dang)時(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)溫度為500/525℃時(shi)，次(ci)(ci)生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)與(yu)其相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)組(zu)(zu)元之(zhi)間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)邊(bian)界(jie)比較模糊(hu)，而(er)(er)隨著時(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)溫度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)不斷升高(gao)(gao)，次(ci)(ci)生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)與(yu)周圍其他組(zu)(zu)元之(zhi)間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)邊(bian)界(jie)逐漸變(bian)(bian)得(de)(de)清晰；⑵隨著時(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)溫度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)不斷升高(gao)(gao)，次(ci)(ci)生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形貌(mao)由(you)細針(zhen)狀(zhuang)逐漸變(bian)(bian)得(de)(de)短粗，進(jin)而(er)(er)當(dang)溫度達到(dao)(dao)600℃時(shi)，變(bian)(bian)成(cheng)典型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)板條狀(zhuang)聚集(ji)分布(bu)，寬(kuan)度達到(dao)(dao)500℃試樣的(de)(de)(de)(de)(de)(de)1.3～2倍。

圖1不(bu)同時效(xiao)溫度下的顯微(wei)組織

次生細(xi)針狀α相片層(ceng)組(zu)織的(de)形(xing)貌粗化是一種外(wai)界溫度驅(qu)動(dong)下的(de)熱力(li)(li)學激(ji)活過程(cheng)，并且(qie)時(shi)效溫度越高，為此(ci)激(ji)活過程(cheng)會提(ti)供更多(duo)的(de)生長驅(qu)動(dong)力(li)(li)，同時(shi)降低(di)了系統(tong)中次生組(zu)元的(de)形(xing)核速(su)率，當系統(tong)處于一定的(de)溫度下，其次生α相的(de)形(xing)核速(su)率減慢(man)，而此(ci)時(shi)的(de)生長驅(qu)動(dong)力(li)(li)加快(kuai)，進而必將促使次生片層(ceng)α相發生粗化，而其粗化速(su)率受到(dao)溶質原子的(de)擴散率所控(kong)制(zhi)。

組(zu)織與力學性能的相(xiang)關性討論(lun)

TC20合金鍛造(zao)棒(bang)材(cai)不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)時(shi)(shi)(shi)效狀(zhuang)態下力學性(xing)(xing)能(neng)見(jian)表3，棒(bang)材(cai)經固溶時(shi)(shi)(shi)效處理后，組織中析出大(da)量次(ci)(ci)生(sheng)(sheng)片(pian)(pian)(pian)(pian)層狀(zhuang)α相(xiang)，此時(shi)(shi)(shi)當(dang)沖(chong)擊形(xing)(xing)成(cheng)的(de)裂(lie)(lie)(lie)紋向(xiang)材(cai)料(liao)內部(bu)擴(kuo)展(zhan)遇到(dao)取向(xiang)不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)次(ci)(ci)生(sheng)(sheng)α片(pian)(pian)(pian)(pian)層時(shi)(shi)(shi)，裂(lie)(lie)(lie)紋會發(fa)生(sheng)(sheng)分(fen)解(jie)，使得(de)一大(da)部(bu)分(fen)裂(lie)(lie)(lie)紋方向(xiang)發(fa)生(sheng)(sheng)改變，隨之(zhi)沿(yan)著次(ci)(ci)生(sheng)(sheng)α片(pian)(pian)(pian)(pian)層的(de)最易動位向(xiang)進行擴(kuo)展(zhan)，而大(da)量次(ci)(ci)生(sheng)(sheng)α片(pian)(pian)(pian)(pian)層之(zhi)間(jian)相(xiang)互(hu)縱橫交叉，次(ci)(ci)生(sheng)(sheng)裂(lie)(lie)(lie)紋的(de)擴(kuo)展(zhan)方向(xiang)會不(bu)(bu)斷(duan)發(fa)生(sheng)(sheng)改變，所以α片(pian)(pian)(pian)(pian)層形(xing)(xing)貌(mao)上(shang)的(de)粗化現象，會導致(zhi)斷(duan)裂(lie)(lie)(lie)韌(ren)性(xing)(xing)值(zhi)不(bu)(bu)斷(duan)下降(jiang)，時(shi)(shi)(shi)效溫度(du)(du)高于(yu)550℃之(zhi)后，斷(duan)裂(lie)(lie)(lie)韌(ren)性(xing)(xing)值(zhi)降(jiang)低很快(kuai)；就(jiu)材(cai)料(liao)強韌(ren)性(xing)(xing)而言(yan)，500～550℃之(zhi)間(jian)時(shi)(shi)(shi)，其抗(kang)(kang)拉(la)(la)(la)強度(du)(du)降(jiang)低不(bu)(bu)多，力學性(xing)(xing)能(neng)比(bi)較平穩(降(jiang)幅(fu)(fu)在1.01%)，并(bing)且(qie)延(yan)伸(shen)(shen)率(lv)增幅(fu)(fu)較大(da)(增幅(fu)(fu)在25.9%)，隨后當(dang)溫度(du)(du)高于(yu)550℃時(shi)(shi)(shi)，其延(yan)伸(shen)(shen)率(lv)急劇下降(jiang)后又逐漸恢復平穩狀(zhuang)態。結合室(shi)溫拉(la)(la)(la)伸(shen)(shen)性(xing)(xing)能(neng)與沖(chong)擊性(xing)(xing)能(neng)，當(dang)固溶時(shi)(shi)(shi)效制度(du)(du)為(wei)950℃×1.5h.AC+550℃×6h.AC時(shi)(shi)(shi)，斷(duan)裂(lie)(lie)(lie)韌(ren)性(xing)(xing)值(zhi)為(wei)56J/cm2，抗(kang)(kang)拉(la)(la)(la)強度(du)(du)為(wei)910MPa，延(yan)伸(shen)(shen)率(lv)為(wei)19%，實現了材(cai)料(liao)強韌(ren)化的(de)協(xie)同(tong)(tong)(tong)提高。

表3不同時效狀態下力學性能

結論

⑴TC20鈦(tai)合金(jin)鍛棒在固溶(rong)時效處理后為典型的混合組織，并且(qie)隨(sui)著時效溫度的不斷升高(gao)，次(ci)生α相的形態由細針(zhen)狀(zhuang)逐(zhu)漸轉變為板條狀(zhuang)，發生熱激(ji)活下的粗化現象。

⑵初生α相的含量(liang)以及形貌(mao)對(dui)試驗所(suo)設(she)時效溫度不敏感。

 ⑶固(gu)溶時(shi)(shi)效制度(du)為950℃×1.5h.AC+550℃×6h.AC時(shi)(shi)，斷裂韌性值(zhi)為56J/cm2，抗拉強(qiang)度(du)為910MPa，延伸率為19%，實現了鍛造(zao)棒材強(qiang)韌化的協同提高。