許世嬌，權(quán)純逸，楊堃

摘 要：以Ti6Al4V（TC4）退火態(tài)的合金為研究對(duì)象，在兩相區(qū)以下對(duì)其進(jìn)行不同溫度的固溶和時(shí)效處理，利用金相顯微鏡、維氏硬度試驗(yàn)機(jī)研究其顯微組織和硬度的變化。結(jié)果表明，固溶溫度對(duì)顯微組織影響顯著，固溶時(shí)部分α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，在冷卻過程中析出二次α′相與針狀β轉(zhuǎn)變相，進(jìn)而使硬度增加，950 ℃時(shí)最大可達(dá)到363 HV。但980 ℃時(shí)，由于針狀組織長(zhǎng)大，硬度由此下降。520 ℃時(shí)效后，由于細(xì)小分散的α相和β相，產(chǎn)生了彌散強(qiáng)化的作用，硬度進(jìn)一步提高。950 ℃固溶+520 ℃時(shí)效，硬度可達(dá)398 HV，相對(duì)于退火態(tài)硬度提高了26%。文章對(duì)TC4合金進(jìn)行固溶和時(shí)效熱處理，研究固溶溫度和時(shí)效處理對(duì)組織和顯微硬度的影響規(guī)律。通過相變點(diǎn)以下不同溫度的熱處理形式獲得不同的微觀組織，分析組織中α、β相的形態(tài)和數(shù)量對(duì)合金晶粒度和力學(xué)性能的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：固溶;時(shí)效;微觀組織;硬度

中圖分類號(hào)：TG166 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2021）12-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.12.005

鈦合金具有強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)，在航天、航海、汽車和醫(yī)療器械、運(yùn)動(dòng)器材等新興領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。鈦合金在固態(tài)下具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，在高溫下呈現(xiàn)為體心立方結(jié)構(gòu)的β相，低溫下呈現(xiàn)為密排六方結(jié)構(gòu)的α相。根據(jù)退火后的室溫組織分類，退火組織為β相的鈦合金為β型鈦合金;退火組織為α相的鈦合金為α型鈦合金;退火組織為（α+β）兩相組織的鈦合金為（α+β）型鈦合金。

作為一種中等強(qiáng)度的（α+β）型鈦合金，TC4主要用于制造飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼零件和發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等。TC4合金熱穩(wěn)定性好，耐蝕性優(yōu)異，生物相容性好，是現(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛的鈦合金[1-2]。TC4性能與α+β型顯微結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。密排六方結(jié)構(gòu)的α相和體心立方的β相構(gòu)成了TC4鈦合金的基本相，兩相的微觀組織、比例和形貌決定了TC4的力學(xué)性能。TC4的顯微組織又取決于成形工藝和熱處理方式等。

鈦合金的熱處理主要分為：消除應(yīng)力處理，目的是消除或減少加工過程的殘余應(yīng)力;完全退火處理，目的是獲得良好的韌性，改善加工性能，便于后續(xù)加工;固溶和時(shí)效處理，目的是提高強(qiáng)度、硬度。固溶處理是把鈦或鈦合金加熱、保溫并快速冷卻到室溫的操作;時(shí)效處理則是在固溶處理后將工件在中等溫度范圍保溫一定時(shí)間后再空冷的操作[3]。這種熱處理方法可以應(yīng)用于近α型合金，α型合金、（α+β）型合金和可熱處理強(qiáng)化β型合金。因此，研究探討固溶和時(shí)效熱處理對(duì)TC4組織和性能的影響，通過固溶和時(shí)效處理改善TC4的形貌組織，進(jìn)而提高綜合力學(xué)性能具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用的初始TC4鈦合金狀態(tài)如圖1所示，此鈦合金為退火狀態(tài)下的顯微組織，可見典型的（α+β）兩相組織，由大量的條狀初生α相（淺背景）、少量的β相（深背景）組成。原料中的主要化學(xué)成分除Ti外，還包括6.2%的Al及3.9%的V。

文章采用固溶和時(shí)效處理強(qiáng)化TC4鈦合金，固溶和時(shí)效處理是鈦合金熱處理強(qiáng)化的一種主要手段，鈦及鈦合金進(jìn)行固溶處理的目的是保留可以產(chǎn)生時(shí)效強(qiáng)化的亞穩(wěn)定相。

對(duì)于（α+β）型鈦合金，固溶處理的目的是保留馬氏體α′相或少量的亞穩(wěn)定β相。固溶處理溫度通常選擇在（α+β）兩相區(qū)之內(nèi)，即低于β相變點(diǎn)40 ℃～100 ℃。此時(shí)可得到一定比例的初生α相β相，β相在隨后的快速冷卻中產(chǎn)生亞穩(wěn)定相，冷卻方式一般需要水淬。必須強(qiáng)調(diào)指出，這類合金在淬火時(shí)一定要迅速進(jìn)行，延時(shí)淬火時(shí)間，產(chǎn)品溫度迅速降低，α相將首先在原始β相晶界上生核并長(zhǎng)大，影響淬火狀態(tài)的力學(xué)性能。通常要求淬火延誤時(shí)間不能超過10秒。此外，對(duì)形狀復(fù)雜的工件還要注意防止淬火變形，淬火后采用的時(shí)效處理，一般溫度為450 ℃～550 ℃，這是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，淬火高溫加熱時(shí)殘留的α相保持不變，β相根據(jù)合金成分不同可轉(zhuǎn)變成α、α′、β等亞穩(wěn)相，這些亞穩(wěn)相在時(shí)效過程中轉(zhuǎn)變成彌散的（α+β）相，使合金顯著強(qiáng)化[4]。

根據(jù)以上分析，對(duì)初始TC4退火態(tài)鈦合金進(jìn)行相變點(diǎn)以下不同溫度（910 ℃、950 ℃、980 ℃）的固溶處理，固溶處理的時(shí)間由TC4合金的厚度決定，固溶處理后進(jìn)行快速水冷。時(shí)效處理全部采用520 ℃×3 h，水冷。對(duì)不同溫度固溶和時(shí)效后的TC4合金，分別用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相測(cè)試（腐蝕液采用氫氟酸和硝酸的水溶液），用0.5 kgf的試驗(yàn)力測(cè)試顯微硬度，并分析經(jīng)過固溶和時(shí)效熱處理后，TC4的顯微組織和硬度主要變化，進(jìn)而得出相應(yīng)規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

不同溫度（910 ℃、950 ℃、980 ℃）的固溶處理和相應(yīng)時(shí)效處理后（520 ℃×3 h）的金相顯微組織如圖2所示。由圖可知，在經(jīng)過（α+β）兩相區(qū)固溶處理后，試樣的組織主要為分布較為均勻的α相和少量轉(zhuǎn)變?chǔ)孪嘟M成。

a.910 ℃固溶;b.950 ℃固溶;c.980 ℃固溶;d.910 ℃固溶+時(shí)效;e.950 ℃固溶+時(shí)效;f.980 ℃固溶+時(shí)效

如圖2a所示，在910 ℃的溫度下進(jìn)行固溶，保溫時(shí)間為1 h，α相多為粗大的條狀組織，且體積含量占總體的70%左右，同時(shí)存在一些針狀的轉(zhuǎn)變?chǔ)陆M織，這是鈦合金等軸組織的特征[5]。這是因?yàn)椋?10 ℃處于（α+β）兩相區(qū)溫度內(nèi)，在兩相區(qū)的溫度加熱，保持一定時(shí)間并淬火后大部分α相被保留了下來，溶解成為高溫過飽和固溶體，又因?yàn)槔鋮s方式采用的是水冷，冷卻速度非?？?，β相的臨界轉(zhuǎn)變速度遠(yuǎn)低于水冷速度，少部分不穩(wěn)定β相轉(zhuǎn)變?chǔ)料鄷r(shí)遇到阻力，而是形成其他的中間產(chǎn)物針狀馬氏體α′和亞穩(wěn)相β[6-7]。

根據(jù)圖2b可知，當(dāng)固溶溫度上升到950 ℃時(shí)，試樣的顯微組織已接近雙態(tài)組織。初生α相體積含量有所減少，細(xì)小β相逐漸增多，即發(fā)生α→β的轉(zhuǎn)變，部分α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?。同時(shí)在冷卻過程中開始析出二次α′相。α′相與針狀β轉(zhuǎn)變相相間混合分布，形成網(wǎng)籃狀組織。從圖中金相組織也可看出，其中β轉(zhuǎn)變組織的體積分?jǐn)?shù)相比于910 ℃固溶時(shí)有一定的升高，這說明隨著固溶溫度的升高，鈦合金的顯微組織從等軸組織向雙態(tài)組織轉(zhuǎn)變。

在β相變點(diǎn)附近980 ℃時(shí)，如圖2c所示，β轉(zhuǎn)變相在金相組織中的體積分?jǐn)?shù)又進(jìn)一步增加。這是因?yàn)?80 ℃的高溫已經(jīng)十分接近β相區(qū)，加快了α相向β相轉(zhuǎn)變的進(jìn)程，針狀組織長(zhǎng)大，β相的晶粒大小為10μm～20 μm，并形成大量網(wǎng)籃組織，向魏氏組織轉(zhuǎn)變[8]，表明TC4合金隨溫度的升高，初生α相的體積含量繼續(xù)減少，即發(fā)生α→β的轉(zhuǎn)變，部分α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，同時(shí)在冷卻過程中析出二次α相。

對(duì)910 ℃、950 ℃、980 ℃固溶后TC4合金進(jìn)行520 ℃×3 h的時(shí)效處理，時(shí)效后的組織如圖2中d、e、f所示。金相顯微組織主要為雙態(tài)組織，此雙態(tài)組織由α相、條帶狀次生α′相及β相組成。時(shí)效后的α相體積分?jǐn)?shù)占比與相應(yīng)溫度固溶處理后的占比差別極小，金相顯微組織微觀形貌與構(gòu)成也是非常相似。

在時(shí)效過程中，β相和馬氏體α′相呈亞穩(wěn)態(tài)，并逐漸析出條狀α相。520 ℃時(shí)效時(shí)，部分馬氏體分解不充分，金相顯示存在些許針狀組織。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)時(shí)采用水冷作為固溶和時(shí)效處理的冷卻方式，通過快冷的冷卻速度得到了亞穩(wěn)態(tài)的α′相和β相，而這些亞穩(wěn)態(tài)的α′相和β相經(jīng)過進(jìn)一步的時(shí)效過程后，分解為十分細(xì)小的α和β相，這些細(xì)小的相彌散均勻分布，對(duì)合金起到彌散強(qiáng)化作用，彌散強(qiáng)化不但能夠使TC4合金保持一定的塑性，還提高了合金的強(qiáng)度和硬度[9]。

對(duì)退火態(tài)、固溶、時(shí)效處理后的試樣分別進(jìn)行硬度測(cè)試，如表1所示。從表中可看出，固溶處理時(shí)，溫度對(duì)TC4合金的硬度影響十分顯著。910 ℃的固溶溫度時(shí)，TC4合金的顯微硬度為342 HV;固溶溫度為950 ℃時(shí)，其顯微硬度為363 HV;固溶溫度為980 ℃時(shí)，其顯微硬度為329 HV。鈦合金的α相和β相對(duì)鈦合金力學(xué)性能有著不同的影響。初生α相的形貌、比例和尺寸對(duì)鈦合金的塑形大小有著一定的聯(lián)系，而β轉(zhuǎn)變相則對(duì)鈦合金的強(qiáng)度和硬度有著顯著影響。在（α+β）兩相區(qū)進(jìn)行熱處理，顯微組織結(jié)構(gòu)組成主要為α、α′、β初生、β轉(zhuǎn)變相。由于馬氏體α′相內(nèi)部存在高度的位錯(cuò)和大量的孿晶組織，晶格畸變程度相對(duì)于α相嚴(yán)重得多，從而硬度和強(qiáng)度得到了提升[10]。退火態(tài)加熱到910 ℃固溶時(shí)，形成的部分α′馬氏體相使硬度得到了顯著提高，從316 HV提高到342 HV。當(dāng)固溶處理溫度升高到950 ℃，由于α′針狀馬氏體組織的體積分?jǐn)?shù)占比提高，硬度進(jìn)一步提高。而溫度升高到980 ℃時(shí)，由于接近β相區(qū)，合金中的晶粒明顯粗化嚴(yán)重，晶粒越大強(qiáng)度越低，所以硬度顯著下降[11]。

經(jīng)過520 ℃的時(shí)效處理，合金的顯微硬度相比于單純固溶態(tài)時(shí)顯著升高，這是由于固溶后組織為均勻分布的等軸α相，呈針狀或條狀的次生α′相，及存在于α相間的β轉(zhuǎn)變相。β轉(zhuǎn)變相和馬氏體α′相呈亞穩(wěn)狀態(tài)，在時(shí)效過程中分解為十分細(xì)小的α和β相。隨著時(shí)效過程的進(jìn)行，這些細(xì)小的α和β相逐漸增多，并且均勻、彌散分布在初生α相間，從而產(chǎn)生彌散強(qiáng)化作用，合金的硬度逐漸增大[12]。

通過以上分析，可以得出退火態(tài)TC4合金在兩相區(qū)熱處理的最佳工藝參數(shù)為950 ℃固溶處理+520 ℃×3 h，采取此工藝參數(shù)進(jìn)行固溶時(shí)效處理后能使強(qiáng)度和硬度都得到最大的提高。經(jīng)此工藝參數(shù)熱處理后的TC4鈦合金的維氏硬度值為398 HV，相比于退火態(tài)TC4鈦合金的316 HV，硬度提高了26%。

3 結(jié)語

文章研究了固溶處理和相應(yīng)時(shí)效處理對(duì)TC4鈦合金顯微組織和硬度的影響及其規(guī)律，結(jié)論如下：

第一，TC4退火態(tài)鈦合金可以通過熱處理改變組織形貌，進(jìn)而影響強(qiáng)度和硬度。固溶處理選擇在兩相區(qū)進(jìn)行，目的是保留一定量的馬氏體α′相或少量的亞穩(wěn)定β相。在520 ℃進(jìn)行時(shí)效處理后得到彌散強(qiáng)化后的合金組織。

第二，固溶時(shí)部分α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，在冷卻過程中析出二次α′相與針狀β轉(zhuǎn)變相。并隨著溫度的升高，轉(zhuǎn)變組織逐漸增多，在980 ℃時(shí)，組織粗大形成維氏組織。隨著固溶溫度的升高，硬度先增加后減小，在950 ℃時(shí)達(dá)到最大值。

第三，TC4經(jīng)過520 ℃時(shí)效后，由于細(xì)小分散的α相和β相，產(chǎn)生了彌散強(qiáng)化的作用，硬度進(jìn)一步提高。

第四，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出，要獲得最好的硬度，應(yīng)采用950 ℃固溶處理+520 ℃×3 h的時(shí)效處理，此時(shí)的硬度值為398 HV。相比于退火態(tài)TC4鈦合金，硬度提高了26%。

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