引言

TC4鈦合金作為目前應用最廣泛的α+β雙相鈦合金，具備強度高、密度小和耐腐蝕性好等優點 [1]。熱處理是調控TC4合金內部微觀結構的重要工藝手段之一，設計不同的熱處理工藝，通過調控微觀組織可以使其獲得更優性能 [2−13]。同時，固溶處理是調控鈦合金微觀組織，尤其是初生α相(a)和β基體狀態的關鍵預處理工藝，其核心目的在于通過高溫溶解和快速冷卻，形成一種過飽和亞穩β固溶體，為后續時效過程中次生α相(a)的析出奠定組織基礎。通過對新型TC4鈦合金進行固溶處理和時效處理，研究其在熱處理過程中的組織演變規律，可以為TC4合金熱處理工藝的制定提供指導 [14-15]。

本文以鍛態TC4鈦合金為研究對象。首先，將試樣進行固溶處理，并采用不同的冷卻方式(空冷、爐冷和水冷)進行冷卻。然后，通過組織標準和不同冷卻方式下TC4合金的性能對比，研究固溶冷卻方式對合金組織及性能的影響，并確定最佳冷卻方式。接著，將其進行不同溫度下的時效處理，研究不同時效溫度對合金組織及其性能的影響規律。最后，確定TC4合金最佳的固溶和時效工藝制度。

1、實驗材料與方法

1.1實驗材料

本文實驗材料為鍛態TC4鈦合金，其化學成分及質量分數如表1所示。采用真空自耗電弧熔法制備TC4鑄錠。對鑄錠進行扒皮、去冒口后，在β單相區進行開坯鍛造，并最終在接近β轉變溫度的a+β兩相區完成鍛造。通過金相法測得該合金的 β轉變溫度約為 980 ∘C。

表1 TC4鈦合金成分

Tab.1 Composition of TC4 titanium alloy%

ωC	ωH	ωO	wN	wv	ωSi	ωFe	w	ωSi
0.080	0.015	0.200	0.050	3.420	0.290	0.280	6.550	89.115

1.2實驗方法

1.2.1實驗過程

利用線切割機將TC4鈦合金板切割成若干試樣，對這些試樣進行顯微組織觀察和力學實驗測試,將全部試樣進行固溶處理，隨后在管式爐中加熱至920℃，并且保持此溫度40min，隨后分別用空冷、爐冷和水冷三種冷卻方式對試樣進行冷卻。將試樣進行電解拋制樣，用掃描電鏡對其進行組織觀察。用砂紙對初始和冷卻后的試樣進行打磨，去除表面的氧化皮，然后進行拉伸至斷裂。根據以上處理結果分析不同冷卻方式對TC4鈦合金的顯微組織和力學性能的影響。在500℃、550℃和600℃溫度下對水冷固溶的試樣進行時效處理，空冷，然后進行拉伸實驗，利用SEM對斷裂后的試樣進行觀察，分析出TC4鈦合金的顯微組織和力學性能的影響。

1.2.2固溶處理方案

將切割出來的試樣放入SG-GL1200管式爐中，加熱到920℃，然后保溫40min，再對其用空冷、爐冷、水冷三種不同的冷卻方式進行冷卻。固溶處理工藝流程如圖1所示。

1.2.3時效處理方案

將切割出來的試樣放入管式爐內，并加熱至920℃，隨后保溫40min并水冷卻。然后再將其分別加熱到500℃、550℃和600℃，保溫3h，進行時效處理。時效處理工藝圖如圖2所示。

1.2.4顯微組織觀察方案

首先使用80#、400#、800#、1500#、3000#的SiC砂紙對試樣依次進行研磨至表面光亮，然后使用Struers LectroPol-5電解拋光機對研磨后的試樣進行電解拋光。電解液是乙醇和高氯酸的混合溶液，體積分數分別為90%和10%。電解拋光機的參數:拋光時間為30s，電壓為25V，實驗溫度為-5℃左右。制備好試樣后，采用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡對其進行顯微組織觀察。金相顯微鏡型號為DM18/MC190HD，掃描電子顯微鏡型號為JSM-IT800。

1.2.5力學性能實驗

實驗采用SHIMADZU拉伸試驗機。由TC4鈦合金板上切割的拉伸試樣及其尺寸如圖3所示。首先對拉伸試樣進行不同冷卻方式的固溶處理，再使用400#砂紙將未處理的初始試樣和固溶處理好的試樣進行研磨,然后在室溫條件下進行拉伸試驗,應變速率為0.001s-¹。將固溶處理后的拉伸試樣進行500℃(3h)、550℃(3h)、600℃(3h)的時效處理，空冷后對其表面進行研磨。在室溫下進行三組拉伸試驗，應變速率為0.001s^-1。

2、結果與討論

2.1固溶冷卻方式對合金顯微組織的影響

圖4為初始狀態未經處理的TC4鈦合金的顯微組織圖及其放大圖。可以看出，初始狀態的TC4鈦合金由兩種相(α相和β相)組成。顏色較深且呈現為片層狀的相為α相，在晶粒中縱橫交錯排列形成網籃組織;顏色較淺，呈白色的為殘余β相。

對TC4鈦合金試樣進行固溶處理，水冷、空冷和爐冷后的顯微組織及其局部放大圖如圖5所示。圖5(a)中等軸狀的初生α相(αp )和針狀的次生α相(a)均勻分布在β基體中。在水冷過程中組織為穩定相,形態和大小基本不發生變化;由于水冷的冷卻速度極快，抑制了β相中合金元素的擴散，αs通過無擴散的切變機制由β相轉變為過飽和的六方馬氏體，組織為等軸αp+針狀αs 。空冷后的組織與水冷類似，αp 都均勻分散在 β基體中，如圖5(b)所示。由于冷卻速度較慢可以為β相的分解提供有限的時間和驅動力，片層α首先在晶界處析出，然后在β晶粒內部以特定的晶體學位向關系成核并長大，形成如圖5(b)中下圖所示的集束狀或片層狀，組織為等軸αp 十片層α，即典型的“雙態組織”。爐冷后的組織與前兩者明顯不同，如圖5(c)，只能觀察到球化的αp和粗大的片層α。由于爐冷的速度非常慢， β相有充分的時間進行擴散型相變,形成粗大、清晰可見的片層 α,這些片層 α與殘余的 β相交替排列,形成類似“籃網”狀的結構;同時慢冷也使得αp 的比例更高，αp 在緩慢冷卻過程中，會發生輕微的長大或球化，組織為等軸αp +粗大片層 α，更接近平衡狀態 [16]。

2.2時效處理對合金顯微組織的影響

將固溶處理(水冷)的TC4鈦合金試樣在500℃、550℃和600℃下進行3h的時效處理，得到的顯微組織如圖6所示。

αs 彌散地析出在 β基體 [17]中，如圖 6(a)所示，500℃時效后的a。非常細小，彌散度極高，隨著時效溫度的升高，原子擴散能力增強，析出的 αs 會進一步長大和粗化，且片層間距也會明顯增大。αs的形核和長大存在競爭關系。低溫下的時效處理有利于α相的形核，高溫下的時效處理更有利于α相的生長。

在α相總體積分數一定的前提下，低溫時效處理條件下新形成的次生α相尺寸較小，高溫時效處理條件下的尺寸較大。片層a在不同溫度時效處理后的形貌變化也與a類似，隨著溫度的升高，明顯粗化且間距增大，在時效溫度為600℃時最明顯，如圖6(c)所示。

2.3力學性能

圖7為不同冷卻方式固溶、920℃(40min)水冷和不同溫度時效處理后的TC4的強度-延伸率曲線圖。

結合表2可以看出，與初始狀態對比，采用爐冷的固溶處理試樣的延伸率最高，強度最低;水冷試樣具有最高的強度，而空冷試樣則表現出更優的強塑匹配。

表2不同條件下的TC4的力學性能

Tab.2 Mechanical properties of TC4 under different conditions

熱處理工藝	屈服強度/MPa	抗拉強度/MPa	延伸率/%
初始	845	870	12.0
空冷	823	838	17.9
水冷	840	855	17.0
爐冷	790	810	25.7
水冷+500℃(3h)	980	1040	8.0
水冷+550℃(3h)	970	1022	13.0
水冷+600℃(3h)	890	920	16.0

由于爐冷時β相完全分解為粗大的片層a，這種粗大組織意味著a/β相界面急劇減少，對位錯運動的阻礙作用大大減弱，因此強度較低;另一方面，在粗大的α相內部，位錯可以自由滑移很長的距離，變形協調能力強，不易產生應力集中，使材料能夠發生均勻、持續的塑性變形，從而表現出較高的延伸率和斷面收縮率[18]。水冷產生的彌散針狀αs則會產生巨大的相界面(相界面強化)，并引起嚴重的晶格畸變[19]，能有效地阻礙位錯運動，可以大大提高強度[20];同時大量難易變形的αs和復雜的界面限制了位錯的協調運動，容易產生應力集中，導致塑性降低。空冷后的組織為等軸α+片層αs，細小的片層a提供了大量的α/β相界面，能有效阻礙位錯，提高強度(通常略低于水冷產生的a強化);相對于a良好的塑性能力，片層αs本身也具有一定的協調變形能力，這種等軸a(“軟相”)+片層a(“硬相”)的復合結構實現了強度和塑性的最佳平衡。時效處理旨在使這些亞穩定的β轉變組織進一步分解，析出彌散分布的次生α相，從而達到強化目的。500℃時效后由于其析出的a非常細小且彌散度高，通常塑性較差但可以獲得很高的強度。隨著溫度的升高，550℃時效后的a明顯粗化且尺寸增大;與500℃時效相比，片層a略微粗大，片層間距增大，兩者共同作用通常會導致強度略有下降,但塑性會有所改善,有助于實現強度和塑性的良好配合[22]。在更高的時效溫度下，片層a與a會進一步顯著長大和粗化，形成粗大的片層和短棒狀組織,導致合金的強度顯著下降,但塑性會進一步提高[23]。綜上，對不同條件下的TC4的顯微組織分析所得結論與表2中的力學性能結果相符合;采用920℃(40min)+空冷的固溶處理方式得到的TC4合金的綜合性能在三種冷卻方式中最好;920℃(40min)水冷+550℃(3h)時效處理的綜合性能最佳，抗拉強度達到1022MPa，延伸率達到13%，實現了強度和塑性的良好匹配。

3、結論

本文研究了固溶處理冷卻方式和時效處理工藝對TC4合金顯微組織和力學性能的影響，結論如下:

1)TC4合金經過920℃(40min)固溶處理空冷后的顯微組織為等軸αp+片層α，綜合力學性能最優;爐冷后的顯微組織為等軸α+粗大片層α，爐冷工藝導致強度顯著降低;水冷后的顯微組織為等軸αp+針狀αs,水冷工藝則導致塑性明顯下降。

2)時效處理過程中，隨著時效溫度的升高針狀αs和片層αs逐漸長大且間距增大。

3)TC4鈦合金經920℃(40 min)水冷+550℃(3h)處理后的綜合性能最優，抗拉強度達到1022MPa，延伸率達到13%。

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（注，原文標題：固溶時效處理對TC4鈦合金顯微組織及性能的影響_嚴曉琨）

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