鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、可焊性強(qiáng)等特點(diǎn)，在航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。在化學(xué)成分及制備工藝、加工成型條件一定的情況下，合金的組織結(jié)構(gòu)通常取決于熱處理工藝[4-5]。不同的熱處理?xiàng)l件下，合金具有不同的微觀結(jié)構(gòu)，因此 ，制定合理的熱處理工藝，研究其組織形貌和性能間的關(guān)系、有效地將合金組織結(jié)構(gòu)調(diào)控到合理的狀態(tài) ，是拓寬合金應(yīng)用范圍、降低成本的主要方法。TA17鈦合 金 是 源 于 前 蘇 聯(lián) ⅡT-3B 的 近α型鈦合金 ，為典型的三元合金，經(jīng)過(guò)退火后，除 大量α相以外 ，還有少量（1-% 以下）β相形成，β相彌散分布在α基體中，形成的a/β相界面能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提升了合金的強(qiáng)度和硬度[6-7]。

本文對(duì)比研究了不同退火溫度和冷卻速率對(duì)TA17鈦合金的微觀組織和力學(xué)性能的影響，同時(shí)分析了其在拉伸過(guò)程中的斷裂類(lèi)型。通過(guò)調(diào)整熱處理工藝，獲得了具有良好強(qiáng)度與塑性匹配的TA17合金 ，為實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)。

1、試驗(yàn)材料與研究方法

試驗(yàn)使用的TA17鈦合金名義化學(xué)成分為T(mén)i-4Al-2V-0.1Fe,實(shí)測(cè)化學(xué)成分見(jiàn)表1。試驗(yàn)所使用的鈦合金坯料為經(jīng)過(guò)擠壓成型的圓柱形棒料，使用線(xiàn)切割加工，將坯料加工成如圖1 所示的拉伸試樣，以及10mm×l0 mm×2mm的組織試樣。

使 用 沈陽(yáng)科晶KSL-1200X 箱式電阻爐進(jìn)行退火處理，退火溫度分別選擇820°C 和 910°C ，冷卻方式采用水冷、空冷和爐冷，具體退火工藝及試樣編號(hào)如表2所示。采用德國(guó)蔡司Axiouert4 0 型金相顯微鏡觀察退火前后合金的微觀組織形貌。在室溫環(huán)境,使用Instron電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并使用美國(guó)FEIQUANTAFEG650型掃描電鏡觀察合金的拉伸斷口形貌。利用HXD-1000T 型數(shù)字式顯微硬度計(jì)測(cè)試退火前后鈦合金的維氏硬度。

2、試 驗(yàn) 結(jié) 果 及 分 析

2 . 1 退火工藝對(duì)TA1 7 鈦合金微觀組織的影響

圖 2 為 TA17鈦合金經(jīng)不同退火工藝處理后的微觀組織形貌。擠壓態(tài)合金為熱擠壓棒材，在熱與應(yīng)力的共同作用下，合金發(fā)生顯著的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象,形成了細(xì)小的針片狀α型以及晶間β相（圖 2 ( a ) ) 。經(jīng) 過(guò) 820°C退火處理，變形態(tài)合金內(nèi)部?jī)?chǔ)存的畸變能釋放，形成顯著的再結(jié)晶組織。由于TA17合金中(3相穩(wěn)定元素較少，在冷卻過(guò)程中β相在室溫?zé)o法

完全保留，α型發(fā)生擴(kuò)散相變，形成均勻分布的α型和等軸β相。對(duì) 比 820°C退火經(jīng)3 種不同冷卻方式的組織試樣，可以觀察到等軸組織的細(xì)化現(xiàn)象，表明隨著冷卻速率的降低（水冷-空冷-爐冷），合金元素在溶質(zhì)的擴(kuò)散能力增加，形成更加彌散分布的等軸β相。而當(dāng)退火溫度為9 KTC時(shí)，微觀組織由板條狀α型和晶間β相組成，說(shuō)明較高的退火溫度有利于近 a 鈦合金在室溫保留β相。但經(jīng)過(guò)退火，針片狀a 尺寸顯著增大，且 β相的體積分?jǐn)?shù)也明顯提高。并且 在 910°C退 火 /水冷時(shí)，除了片狀α型，還有等軸的初生α型產(chǎn)生，形成了明顯的雙態(tài)組織（圖 2(e ))。當(dāng)采用爐冷時(shí)，冷卻速度較慢，α型在冷卻過(guò)程中緩慢析出，組織較為粗大，形成板條狀α型和晶間β相 。

2 . 2 退火工藝對(duì)TA1 7 鈦合金力學(xué)性能的影響

表 3 為 TA17鈦合金經(jīng)不同退火工藝處理前后拉伸力學(xué)性能的對(duì)比。由于擠壓態(tài)合金為熱擠壓狀態(tài) ，在熱變形過(guò)程中發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成細(xì)小的微觀組織，有利于提高合金的力學(xué)性能，因此，擠壓態(tài)合金具有8.9%伸長(zhǎng)率的同時(shí)還保留了較高的強(qiáng)度。經(jīng) 820 °C退火處理后，合金組織為α基體與等軸β相的結(jié)構(gòu)，因此導(dǎo)致合金強(qiáng)度與塑性發(fā)生了不同程度的下降。通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)在82(TC退火的合金，當(dāng)冷卻速度較慢時(shí)(爐冷），合金強(qiáng)度高于擠壓態(tài)，為1046.8MPa, 表明均勻彌散分布的析出相有利于合金強(qiáng)度提升，其綜合力學(xué)性能較好。相比而言，910°C退火的合金具有較高的強(qiáng)度，這種現(xiàn)象的原因是HCP結(jié) 構(gòu) 的 α型 與 B C C 結(jié) 構(gòu) 的 (3相相間分布，形成大量α/β相界面，在變形過(guò)程中抑制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，能夠顯著提升合金的強(qiáng)度。值得注意的是，等軸組織與板條組織形成的雙態(tài)組織具有更高的強(qiáng)度'在本研究中，910°C退 火 /水冷的合金，具有1117.8MPa的極限抗拉強(qiáng)度，但伸長(zhǎng)率較低，表明a 基體中等軸β相有利于提高合金塑性，而板條β相有利于提高其強(qiáng)度。

圖 3 為不同狀態(tài)合金經(jīng)過(guò)室溫拉伸測(cè)試的斷口形貌。可以發(fā)現(xiàn)TA17合金斷裂后斷口表面形成了大量細(xì)小的靭窩，表明合金發(fā)生了明顯的靭性斷裂。

對(duì)于鈦合金而言，斷口中韌窩尺寸越小，韌窩越深，表明其靭性斷裂的趨勢(shì)越明顯。圖 3(a)中擠壓態(tài)合金的韌窩具有細(xì)小且深的特點(diǎn)，因此其伸長(zhǎng)率較高。而 圖 3 (d) 中 910°C 退火/爐冷的斷口韌窩較大且淺 ，脆性斷裂傾向增加，反映出其塑性較低。

合金在拉伸應(yīng)力作用下，首先發(fā)生的是彈性變形。當(dāng)應(yīng)力大于合金的彈性極限，合金進(jìn)人塑性變形階段，此時(shí)產(chǎn)生微小的孔洞，位于合金內(nèi)部以及試樣應(yīng)力較為集中的部位，該過(guò)程為微孔形核。隨著拉伸應(yīng)力逐漸增大，微孔發(fā)生聚集、長(zhǎng)大 ，并且拉伸試樣發(fā)生一定的頸縮。最后，當(dāng)拉伸應(yīng)力達(dá)到合金的強(qiáng)度極限時(shí)，試樣發(fā)生斷裂。斷裂過(guò)程中，最后斷裂的部分將承擔(dān)較大應(yīng)力，韌窩通常產(chǎn)生在該部位。圖 4為 TA17鈦合金微孔聚集型斷裂的示意圖。

圖 5 為經(jīng)不同退火工藝處理后的TA17鈦合金顯微硬度統(tǒng)計(jì)圖。經(jīng)820 °C 退火/水冷和退火/空冷處理后，合金顯微硬度較擠壓態(tài)有所降低，分別為306.62和 304.55HV。但爐冷處理后的顯微硬度有所提升，為 347.81 HV。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，鈦合金的硬度是非常重要指標(biāo)，在相同的條件下，β相的硬度要高 于 α型 ' 對(duì)近α鈦合金硬度影響最關(guān)鍵的因素是組織中β相的含量。910°C 退 火 /水冷合金組織 中 β相含量最多（圖 2)，因此，這個(gè)狀態(tài)下合金的硬度也最高。合金的顯微硬度與合金的強(qiáng)度具有一定的相關(guān)性，許多研究都可以觀察到類(lèi)似的現(xiàn)象[10]。實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常通過(guò)硬度來(lái)估算合金的強(qiáng)度[11]。

3、結(jié)論

( 1 )擠壓態(tài)TA17鈦合金組織由針狀α相和晶間β相組成。經(jīng) 820°C 退火處理合金發(fā)生再結(jié)晶，組織為等軸β相 和 α型基體，其中爐冷處理后的β相尺寸細(xì)小且分布均勻。經(jīng) 910°C 退火處理合金形成板條狀α型和晶 間 β相組織，爐冷處理后的組織較為粗大。

( 2 )擠 壓 態(tài) TA1 7 鈦 合 金 抗 拉 強(qiáng) 度 為 1045.1MPa。經(jīng)退火處理后，合金在擠壓過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力得到釋放，合金的力學(xué)性能有所改善，其 中 820°C / 爐 冷 和 910°C / 水冷處理后的抗拉強(qiáng)度分別為1046.8和 1117.8MPa。但 經(jīng) 910°C 退火處理合金晶粒尺寸較大，塑性明顯降低，因此，經(jīng) 820°C/爐冷處理后，合金的綜合力學(xué)性能較好。

( 3 ) 擠 壓態(tài) TA17鈦合金的顯微硬度為333.55HV。經(jīng) 820 °C 退火（爐冷）處理后，合金顯微硬度較擠 壓態(tài)、空冷和水冷處理有所提高，為 347.81 HV。

該退火工藝處理后的合金組織晶粒細(xì)小，抗拉強(qiáng)度有所提高。

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