吝媛，楊奇，黃拓，楊曉龍，劉偉，李夢

（寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

0 引言

Ti9148 鈦合金是寶雞鈦業(yè)股份有限公司自主研發(fā)的一種新型生物醫(yī)用亞穩(wěn)β-型鈦合金，其成分為Ti-19Nb-1.5Mo-4Zr-7.9Sn。與傳統(tǒng)α+β 型鈦合金T-6Al-4V 相比，Ti9148 合金不含過敏或有毒元素，具有彈性模量低、生物相容性好等優(yōu)點，有望應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[1-5]。

眾所周知，晶粒尺寸對材料的強度和塑性、變形機制以及第二相析出等有較大的影響[6-12]。Ti9148 合金在較低溫度時效時，亞穩(wěn)相（如六方α′、正交α′′）可通過擴散型相變轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡相六方ω 相，進而轉(zhuǎn)變?yōu)棣?相，這些亞穩(wěn)相對合金強韌性有顯著影響，相析出使合金韌性急劇下降[1]。因此，該合金的鍛造、軋制加熱及中間退火等操作均避免在此溫度區(qū)間進行，一般選在β-相區(qū)進行。然而，β-相區(qū)加工溫度較高，晶粒易于長大，因此，為了獲得較理想的組織與性能水平的合金，有必要研究退火溫度和時間對合金晶粒長大的影響規(guī)律，合理控制晶粒尺寸，進而為實際生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 實驗方法

實驗材料為寶雞鈦業(yè)股份有限公司采用3 次真空自耗電弧熔煉的Ti9148 合金鑄錠，經(jīng)鍛造、熱軋等工藝制得5 mm 厚板材，金相法測得合金β-相轉(zhuǎn)變溫度為720 ℃。用線切割方法在板材上截取若干5 mm × 10 mm × 15 mm 塊狀試樣，置于箱式電阻爐進行固溶淬火實驗，固溶處理溫度選擇750、800、850、900 ℃，保溫時間選擇10、30、60、120 min，出爐后進行水淬處理。熱處理試樣經(jīng)預(yù)磨、拋光及侵蝕后制成金相試樣，侵蝕劑配比為V（HF）∶V（HNO3）∶V（H2O）=1∶3∶7,采用ZEISS AxioVert200MAT 金相顯微鏡進行顯微組織觀察，并通過截線法測得平均晶粒尺寸D。

2 結(jié)果及討論

2.1 顯微組織演變

圖1 所示為Ti9148 合金在β-相區(qū)不同固溶溫度和保溫時間下的顯微組織照片，可以看出，經(jīng)過β-相區(qū)固溶處理后的合金組織均為細小均勻的等軸組織。在相同保溫時間下，固溶溫度在750～900 ℃范圍內(nèi)逐漸升高，合金晶粒尺寸急劇增大，如在加熱10 min的試樣中（圖1 中的A1、B1、C1、D1），750 ℃固溶處理后的β-相晶粒尺寸為28 μm，而800、850、900 ℃固溶處理后，β-相晶粒尺寸分別增加到39、59、78 μm。在等溫加熱過程中，隨著時間延長，晶粒尺寸也呈增大趨勢，如在900 ℃固溶處理不同時間后（圖1 中的D1、D2、D3、D4），β-相晶粒尺寸由78 μm 增加到168 μm。

圖1 Ti9148 合金在不同的固溶溫度和保溫時間下的顯微組織Fig.1 Microstructure of Ti9148 alloy at different solution-treated temperatures and holding times

統(tǒng)計不同加熱制度下的晶粒尺寸，繪制出了晶粒長大趨勢圖。Ti9148 合金β-相晶粒尺寸隨溫度的變化曲線如圖2 所示，在相同的保溫時間下，隨著固溶溫度升高，β-相晶粒尺寸不斷增大，并且溫度越高，β-相晶粒尺寸增長速度越快。β-相晶粒長大是一種集熱激活、擴散與界面反應(yīng)于一體的物理冶金過程，主要表現(xiàn)為晶界的遷移，隨著溫度升高，原子的平均動能增加，有助于原子擴散和晶界遷移，晶界的平均遷移速率m 與e-Qm/（RT）成正比，其中，m 為晶界的平均遷移速率，Qm為晶界遷移的激活能或原子擴散通過晶界的激活能，R 為氣體常數(shù)，T 為熱力學(xué)溫度[13-16]。由此可見，晶粒尺寸的長大速率與加熱溫度之間呈現(xiàn)一種指數(shù)關(guān)系，與圖2 中的曲線相吻合。在4 種固溶溫度下，Ti9148 合金β-相晶粒尺寸隨時間的變化曲線，即晶粒等溫長大曲線如圖3 所示，在加熱初始階段，β-相晶粒長大速度較快，超過30 min 后，晶粒尺寸增長速度變得平緩。分析其原因，β-相晶粒長大的驅(qū)動力源自界面能的降低，界面能驅(qū)動晶界不斷遷移或消失，隨著保溫時間的延長，晶粒不斷長大，晶界向著曲率中心方向移動，并不斷平直化，致使“大吞并小”和凹面變平，晶界面積不斷減小，最終，總的界面能下降，晶粒長大驅(qū)動力減小，晶粒增長速度變緩[13]。

圖2 Ti9148 合金β-相晶粒尺寸隨溫度升高的變化曲線Fig.2 The curves of the β-phase grain size of the Ti9148 alloy with increasing temperature

圖3 Ti9148 合金β-相晶粒等溫增長曲線Fig.3 Isothermal growth curves of β-phase grains in the Ti9148 alloy

2.2 晶粒長大動力學(xué)分析

鈦合金晶粒等溫長大過程中，晶粒尺寸與加熱時間的關(guān)系近似成冪函數(shù)關(guān)系，可用Beck 方程進行描述[17-18]：

式（1）中：D 為平均晶粒尺寸，μm；t 為等溫退火時間，min；n 為晶粒長大指數(shù)；k 為與成分和溫度有關(guān)的長大系數(shù)。對式（1）兩邊取對數(shù)，可得:

將不同固溶溫度下實測的Ti9148 合金晶粒尺寸數(shù)據(jù)代入式（2）中進行線性擬合，即可得到圖4 所示的lnD 與lnt 的線性關(guān)系圖，以及不同溫度下的晶粒長大指數(shù)n，見表1。

表1 不同溫度下的lnk 和n 值Table 1 The lnk and n values at different temperatures

據(jù)文獻[17]報道，純鈦在β-相區(qū)的晶粒長大指數(shù)n=0.5[17]，而表1 中計算出的Ti9148 鈦合金在750～900 ℃的晶粒長大指數(shù)n 為0.213～0.300。這主要是由于Ti9148 鈦合金含有較多的Nb、Mo、Zr、Sn 等合金元素，因為晶界的內(nèi)吸附現(xiàn)象，這些溶質(zhì)原子容易富集在晶界周圍，當晶界遷移時，這些溶質(zhì)原子只能以擴散速度較慢的體擴散進行跟隨，造成對晶界的“釘扎”作用，阻礙晶界移動[13,19-21]。

同樣，在一定保溫時間下，加熱溫度對晶粒長大的影響可以采用Arrhenius 方程[13,18,22]進行描述:

式（3）中：k0為與成分有關(guān)的長大系數(shù);Q 為β-相晶粒晶界遷移的長大激活能;R 為氣體常數(shù)，8.314 J/mol；T 為絕對溫度，K。將式（3）兩邊取對數(shù)可得式（4）:

由式（4）可以看出，lnk 與1/T 之間具有線性關(guān)系。因此將表1 中相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（4）進行線性擬合，得到如圖5 所示的lnk 與1/T 之間的關(guān)系曲線，根據(jù)擬合結(jié)果可估算出Ti9148 合金晶粒在β-相相區(qū)的長大激活能Q=32.57 kJ/mol，小于純鈦的β-相自擴散激活能Q=166 kJ/mol[23-24]，表明Ti9148 合金在β-相區(qū)加熱具有較高的溫度敏感性，在實際加工生產(chǎn)過程中，應(yīng)嚴格控制熱處理溫度和保溫時間。

圖5 Ti9148 合金的lnk-104/T 之間的曲線Fig.5 The lnk-104/T relationship curve of the Ti9148 alloy

3 結(jié)論

1）在相同的保溫時間下，隨著固溶溫度升高，β-相晶粒尺寸不斷增大，并且溫度越高，增速越快。在等溫加熱過程中，β-相晶粒尺寸先快速長大，超過30 min后，增速變緩。

2）在750、800、850、900 ℃等溫加熱過程中，β-相晶粒尺寸與加熱時間近似成冪函數(shù)關(guān)系，根據(jù)Beck 方程擬合出了4 種溫度下的晶粒長大指數(shù)分別為0.213、0.266、0.285、0.300。

3）Ti9148 鈦合金在β-相區(qū)的晶粒長大激活能較低，表明在β-相區(qū)加熱對溫度較敏感。