鈦及鈦合金因其密度小、比強度高（gāo）、耐（nài）腐蝕和生物相容性好等優良（liáng）性能，是極其重要的輕質結構材料，廣泛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（yī）用鈦（tài）合金TC4相比而言，TC20鈦合金選用原子濃度相（xiàng）同且性能與組織穩定（dìng）、無毒（dú）害作用的Nb替代V，解決了TC20鈦合金作為醫用置換術關鍵性材料的難題（tí）。

固溶時效又稱強化熱處理，通過調控鈦合金相變過程實現強（qiáng）化效果，是TC20等α+β型合金最主（zhǔ）要的熱處理方式（shì）。目前對於TC20的工業化研（yán）究隻限於熱連軋線材與板材軋（zhá）製等領域，而對於全流（liú）程等溫鍛造的小規格棒（bàng）材組織與性能的研究相對較（jiào）少，為此本文研（yán）究了不同時效溫度下TC20鈦合金鍛（duàn）造（zào）棒材的組織演變及（jí）熱處理工藝對其組織和（hé）性能的影響（xiǎng），旨在（zài）為全流程鍛造生產的TC20小尺寸鈦（tài）合金棒材提供生產經驗。

試驗材料以（yǐ）及方法

試驗（yàn）所用材料為寶雞鈦業股份有限公司生（shēng）產，經真空自耗電（diàn）弧爐二次熔煉的（de）φ696mm錠型鑄（zhù）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（yī）係（xì）列工序生產的φ32mm棒材。根（gēn）據YS/T 1262-2018的試驗方法測得化學成分見表1，經金相法（fǎ）測得該棒材本體相變點為1001℃。

表1鑄錠化學成分(質量分數，%)

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

表2經鍛棒材熱處理製度

試驗（yàn）結果（guǒ）與討論分析

時效（xiào）溫度對材料微觀組織的影響

TC20固溶時效主要依靠轉變β組織（zhī）在（zài）後續的長時間時效過（guò）程中析出彌散的α固溶體，使合金在強韌性方麵得到協同提高。TC20鈦合（hé）金鍛棒在經相區固溶+時效處理後的顯微組織（zhī）為典型的（de）混合組織，由初生的等軸α相與β轉變組織組成，如（rú）圖1(a)所示。經950℃高溫固溶隨後（hòu）空冷，會獲得大量的針狀次生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（xiàng）。隨著時效溫度的不斷升高，初（chū）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，較高的固溶溫度（dù）使得過飽和度增大，而轉變β組織在熱力學上屬於亞穩相，隨（suí）後的時效過程（chéng）屬於亞穩相的緩慢分解與析（xī）出（chū），而亞穩相的分解與析出優先在晶界等能量較高的位置發生，對於尺寸較大的初生相基本不會產（chǎn）生影響。次生α相片層對隨後的時效（xiào）溫度更加敏感，在時效過程中，次生（shēng）片（piàn）層α相從（cóng）β晶界、α/β相界及α相（xiàng）晶（jīng）內析出，其形貌表（biǎo）現為細長而又平直的鬆針狀，如圖1(d)所示。並且次生α形貌以（yǐ）及尺寸隨著時效溫度（dù）的升高發生趨勢性變化：⑴當時效溫度為（wéi）500/525℃時，次生（shēng）α相與其相組元之間的邊界比較模糊，而隨著時（shí）效溫度的不斷升高，次生α相與周圍其他組元之間的邊界逐漸變得清晰；⑵隨著時效溫度的不斷（duàn）升高，次生α相的形貌由細針狀逐漸變得短粗，進而（ér）當溫（wēn）度達（dá）到600℃時，變成典型的板條狀聚集分布，寬（kuān）度（dù）達到500℃試樣的1.3～2倍。

圖1不（bú）同時效溫度下的顯微組織

次生細針狀α相片層組織的形貌粗化是一種外界溫度驅動下的熱力學激（jī）活過程，並且（qiě）時效溫度越高，為此激（jī）活過程（chéng）會提供更多的生長驅動力，同時降低了係統中次生組元的形核速率，當係統處於一定的溫度下，其次生（shēng）α相的形核速率減慢，而此時的生（shēng）長驅動力加（jiā）快，進而必將促使次生（shēng）片（piàn）層α相發生粗化（huà），而其粗化速率受到溶質原子的（de）擴散率所控製。

組織與力學性能的相關性（xìng）討論（lùn）

TC20合金鍛造棒材不同時效狀態下力（lì）學性能見表3，棒（bàng）材經固溶時效處理後，組（zǔ）織中析出大量次生片層狀α相，此時（shí）當（dāng）衝（chōng）擊形成的裂紋向材料（liào）內部擴展遇（yù）到取向不同的次生α片層時，裂紋會發生分解，使得一大部分裂紋方向發生改變，隨之沿著次生α片層的最易動位向進行擴展，而大量（liàng）次生α片層（céng）之間相互縱橫交叉（chā），次生裂紋的（de）擴展方向會不斷發生改變，所以α片層形貌（mào）上的粗化現象，會導致斷裂韌性（xìng）值不斷下（xià）降，時效溫度高於550℃之後，斷裂韌性值降低很快；就材料強韌性而言，500～550℃之間時，其抗拉強度降低不（bú）多，力學性能比較平穩(降幅在1.01%)，並且延（yán）伸率增幅較大(增幅在25.9%)，隨（suí）後當溫度高於550℃時（shí），其（qí）延伸率急劇下（xià）降（jiàng）後又逐漸恢複平穩狀態。結合室溫拉伸（shēn）性能與衝擊性能，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（qiáng）度為910MPa，延伸率為（wéi）19%，實現了（le）材料強韌化的協同提高。

表3不同時效狀態下力學性能

結論

⑴TC20鈦合金鍛棒在固溶時效處理後為（wéi）典型的混合組織，並且隨著（zhe）時效溫度的不斷升高，次生α相的形態由細針狀（zhuàng）逐（zhú）漸轉變為板條狀，發生熱激活下的粗化現象。

⑵初生α相的含量以及形貌對試驗所設時效溫度不敏感。

⑶固溶時效（xiào）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（shí）現了鍛造棒材強韌化的協同（tóng）提高。