鈦及鈦合金（jīn）因其密度小、比強度高、耐腐蝕和生物（wù）相容性好等（děng）優良性能，是極其重要的輕質結構材料，廣泛（fàn）用於航空航天以及生物醫學等領域，具有重要的應用價值（zhí）和廣闊的應用前景，與傳（chuán）統同（tóng）類醫用鈦合金TC4相比而言，TC20鈦合金選用原子濃度相同且性能與組織穩定（dìng）、無毒害作用的（de）Nb替代V，解（jiě）決了TC20鈦合金作為醫用置換術關鍵性材料的難題。

固溶時效又稱強化熱處理，通（tōng）過調控鈦合金相變過程實現強化（huà）效果，是（shì）TC20等α+β型合金最主要的熱處理方式。目前對於TC20的工業化研究隻限於熱（rè）連軋（zhá）線材與板材軋製（zhì）等領域，而（ér）對於全流程等（děng）溫鍛造的小規格棒材組織與性能的研究相對較少，為此本文研究了不同時效溫度下TC20鈦合（hé）金鍛造棒材的組織（zhī）演變及熱處理工藝對其組織和性能的（de）影響（xiǎng），旨在為全流程（chéng）鍛（duàn）造生產的TC20小尺（chǐ）寸（cùn）鈦合金棒材提供生產（chǎn）經驗。

試驗材料以及方法

試驗所用材料為寶雞鈦業股份有限公司生產，經真空自耗電弧爐二次熔煉（liàn）的（de）φ696mm錠型鑄錠，經過β區開坯鍛造+兩相區鍛造(鐓粗和拔長)+兩相區徑向鍛造（zào）等一係列工序生產（chǎn）的φ32mm棒材。根據YS/T 1262-2018的試驗方法測（cè）得化（huà）學成分見表1，經金相法測得該棒材本體相變點為1001℃。

表（biǎo）1鑄錠化（huà）學成分(質量分數，%)

熱處理試驗在箱式電阻爐（lú）中進行，表2為熱處理製度；檢（jiǎn）測顯微組織采用Axiovert 200 MAT光學顯微鏡，利用Clemexe成像軟件配合光學顯微鏡（jìng）確定顯微組織中初生α相的體積分數，室溫拉伸性能檢測使用（yòng）Instron 5885電子萬能材料試驗機，室溫衝擊韌性使用JNS 300擺錘式衝擊試（shì）驗機（jī）。

表2經鍛棒材（cái）熱處理製（zhì）度

試驗結果與討論分析

時效（xiào）溫度對材料微觀組織的影（yǐng）響

TC20固溶時效主要依靠轉變β組織在後續的長時（shí）間時效過程中析出彌散的α固溶體，使合金在強韌性方（fāng）麵得到協同提高。TC20鈦合金鍛棒在經相區固溶+時效（xiào）處理後的顯（xiǎn）微組織為典型的混合組織，由（yóu）初生的等軸α相與β轉（zhuǎn）變組織組成（chéng），如圖1(a)所示（shì）。經950℃高溫固溶隨後空冷，會（huì）獲得大量的針狀（zhuàng）次生α相及少數殘留β相，在隨後的低溫時效過程中，形成少量時效ω相和β相。隨著時效溫度的不斷升高，初生α相含量與尺寸（cùn）變化不大，這是由於950℃固溶溫度在TC20合金相變點附近，較高的固溶（róng）溫度使得過（guò）飽和度增大（dà），而轉變β組織在熱力學上屬（shǔ）於亞穩相，隨後的時效過程屬於亞穩相的緩慢分（fèn）解與析出，而亞穩相的分解（jiě）與析出優先在晶界等能量較高的位置發生，對於尺寸較大（dà）的初生相基（jī）本不會產生影響。次生α相片層對隨後的時效溫度更加敏感，在時效過程中，次生片層α相從β晶界、α/β相界及α相晶（jīng）內析出（chū），其形貌表現為細長（zhǎng）而又平直的鬆（sōng）針狀，如圖1(d)所示（shì）。並且次生α形貌以及尺寸隨著時（shí）效溫度的升高發（fā）生趨勢性變化：⑴當時效溫度為500/525℃時，次（cì）生α相與其相組元之（zhī）間的邊界比較模糊（hú），而隨（suí）著時效溫度的不斷升高（gāo），次生α相與（yǔ）周圍其他組元之間（jiān）的邊界逐漸變得清晰；⑵隨著（zhe）時效溫度的不斷升高，次生α相（xiàng）的形貌由細針狀逐漸變得短粗，進而當溫度達到600℃時，變成典型的板（bǎn）條狀聚集分布，寬度達到500℃試樣的1.3～2倍。

圖1不同時效溫度下的顯微組織

次（cì）生細針狀α相片（piàn）層組織的形貌粗化是（shì）一種外界（jiè）溫度驅動下的熱力學激活過（guò）程，並且時效溫度越高，為（wéi）此激活過程會提供更多的生長（zhǎng）驅動力，同時降低了係統中（zhōng）次生組元的形核速率，當（dāng）係統處於一定的溫度下（xià），其次生α相的形核速率減慢，而此時的生長驅動力加（jiā）快（kuài），進而必將促使次生片層α相發生粗（cū）化（huà），而其粗化（huà）速率受到溶質原子的擴散率所控製。

組織與力學性能的相關性討論（lùn）

TC20合金鍛造棒材不同時效狀態下（xià）力學性能（néng）見表3，棒（bàng）材經固溶時（shí）效處理後，組織中析出大量次生片層狀α相，此時當衝擊（jī）形成的裂紋向材料內部擴展遇到取向不同的次生α片層時，裂（liè）紋會發生分解，使得一大部分裂紋方向（xiàng）發生改變（biàn），隨之沿著次生α片層（céng）的最易動位（wèi）向進行擴展，而大量次（cì）生α片層（céng）之間相互縱（zòng）橫交叉（chā），次生裂紋的（de）擴（kuò）展方向會不斷發生改變，所以α片層形貌上的粗化現象，會導致斷裂韌（rèn）性值不斷下降，時效溫度高於550℃之後，斷裂（liè）韌性值降（jiàng）低很快；就材料強韌性而（ér）言，500～550℃之間時，其抗拉強度降低不多（duō），力學（xué）性能比較平穩(降幅在1.01%)，並且延伸率增幅較大(增幅在25.9%)，隨後當（dāng）溫度（dù）高（gāo）於550℃時，其延伸率急劇下降後（hòu）又逐（zhú）漸恢複平穩狀態。結合室溫拉伸性能與（yǔ）衝擊（jī）性能，當固溶時效製度為950℃×1.5h.AC+550℃×6h.AC時，斷裂韌性值為56J/cm2，抗拉強度為910MPa，延伸率為19%，實現了材料強韌化的協同提高。

表3不同時效（xiào）狀態下力學性能

結論

⑴TC20鈦合金鍛（duàn）棒在固溶時效處理後為典型的混合組（zǔ）織，並且隨著時效溫度的不斷升高，次生α相的形態由細針（zhēn）狀逐漸轉變為板條狀，發生熱激活下的粗化（huà）現象。

⑵初生α相的含量以及形（xíng）貌對試驗所設時效溫度不敏感。

⑶固溶時（shí）效製度為950℃×1.5h.AC+550℃×6h.AC時，斷裂韌性值為56J/cm2，抗拉強度（dù）為910MPa，延伸率為（wéi）19%，實現了鍛造棒材強韌化的（de）協同提高。