鈦及鈦（tài）合金因其密度小、比強度高、耐腐蝕和（hé）生（shēng）物相容性好等優良性能，是極其重要的輕質結構材料，廣泛用於（yú）航空航天以及生物醫學等（děng）領域，具有重要的應用價值和廣闊的應用前景（jǐng），與傳（chuán）統同類醫用鈦合金（jīn）TC4相（xiàng）比而言，TC20鈦合金（jīn）選用原子濃度相同且（qiě）性能與組織穩定、無毒害作用的Nb替代V，解決了TC20鈦合（hé）金作為醫用置換術關鍵性（xìng）材料的（de）難題。

固溶時（shí）效又稱強（qiáng）化熱處理（lǐ），通過調控鈦（tài）合金相變（biàn）過程實現強化效果，是TC20等α+β型合金最主要的熱處理方式。目前對於TC20的工業化研究（jiū）隻限於熱連軋線材與板材軋製等（děng）領域，而對於全流程等溫鍛造的小規格棒材組（zǔ）織與性（xìng）能的研究（jiū）相對較少，為此本文研究了不同（tóng）時效溫度下TC20鈦合金（jīn）鍛造棒材的組織演變及（jí）熱處（chù）理工藝對其組（zǔ）織和性能（néng）的影（yǐng）響，旨在為全流（liú）程鍛造生產的（de）TC20小尺寸鈦合金棒材（cái）提供生產經驗。

試驗材料以及方法

試驗所用材料為寶雞鈦業股份有限（xiàn）公司生產，經真空自耗電弧爐二次熔煉的φ696mm錠型鑄錠，經過β區開坯鍛造+兩相區（qū）鍛造(鐓粗和（hé）拔長)+兩相區徑向鍛造（zào）等一係列（liè）工序生產的φ32mm棒（bàng）材。根據YS/T 1262-2018的試驗方法（fǎ）測得化學成分見表1，經金相（xiàng）法測得（dé）該棒材本體相變點（diǎn）為1001℃。

表1鑄錠化學成分(質（zhì）量分數，%)

熱處理試驗在（zài）箱式電阻爐中（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（xiǎn）微鏡，利用Clemexe成像軟件配合光學顯微鏡確定顯微組織中初生α相的體積分數，室溫拉（lā）伸性能檢測使用Instron 5885電子萬能材料試（shì）驗機（jī），室溫衝擊韌性使用JNS 300擺錘式衝擊試（shì）驗機（jī）。

表2經鍛棒材熱處（chù）理製度（dù）

試驗結果（guǒ）與討論分析

時效溫度對材料微觀組織的影響

TC20固溶時效主（zhǔ）要依靠轉變β組織在（zài）後續的（de）長時間時效過程中析（xī）出彌散的α固溶體，使合金在強韌性方麵（miàn）得（dé）到協同提高。TC20鈦合金（jīn）鍛棒在經相區固溶+時效處理（lǐ）後的顯微（wēi）組織為典型的混合組織，由初生的等軸α相與β轉變組織組（zǔ）成，如圖1(a)所（suǒ）示。經950℃高溫固溶隨後空冷，會獲得大量的（de）針狀次生α相及少數殘留（liú）β相，在隨後的低溫時效過程中（zhōng），形成少量時效（xiào）ω相和β相。隨著時（shí）效（xiào）溫度的不斷升（shēng）高，初生α相含量與（yǔ）尺寸變化不大，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（dù）增大，而轉變β組織在熱力學上屬（shǔ）於亞穩相（xiàng），隨後的時效過程（chéng）屬於亞穩相的緩慢分解（jiě）與析（xī）出，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（chǐ）寸較大的初生相基本不會產生影響。次生α相片層對隨後的時效溫度更加敏感，在時效（xiào）過程（chéng）中，次生片層α相從β晶界、α/β相界及（jí）α相晶內析（xī）出，其形貌表（biǎo）現為（wéi）細長而又平（píng）直的鬆針狀，如圖1(d)所示（shì）。並且次生α形貌以及尺寸隨著（zhe）時效溫度的升高發生趨勢性變（biàn）化：⑴當時效（xiào）溫度為500/525℃時，次生（shēng）α相與其相組元之間的邊界比較模糊，而（ér）隨著時效溫度（dù）的不斷升高（gāo），次生α相與周圍（wéi）其他組元之間的邊界逐漸變得（dé）清晰；⑵隨著時（shí）效溫度的不斷升高，次（cì）生（shēng）α相的形貌由細針狀逐漸（jiàn）變得短粗，進而當溫（wēn）度達到600℃時，變成典（diǎn）型的板條狀聚（jù）集分布，寬度達到500℃試樣的（de）1.3～2倍。

圖1不同時效溫度（dù）下的顯微組織

次生細針狀α相片（piàn）層組織的形貌粗化是一種外界溫度驅動下的熱力（lì）學（xué）激活過程，並且時效溫度（dù）越高，為此激活過程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（xíng）核速率，當係統處於一定的溫（wēn）度下，其次生α相的（de）形核（hé）速率（lǜ）減慢，而此時的生長（zhǎng）驅動（dòng）力加（jiā）快，進而必將促使次生片層α相發生粗化，而其粗化速率受到溶質原子的擴散率所控製。

組織與（yǔ）力學性（xìng）能的相關性討（tǎo）論

TC20合金鍛造棒材不同時效狀態下力學性（xìng）能見表3，棒材經固溶時效處理後，組織（zhī）中析出大量次生片層狀α相，此時當（dāng）衝擊形（xíng）成的裂紋向材料內部擴展遇到取向不同（tóng）的次生α片層時，裂紋會發生分（fèn）解，使得一大部（bù）分裂紋方向（xiàng）發生改（gǎi）變，隨之沿著次生α片層（céng）的最易動位向進行擴展，而大量次生α片層之間相互縱橫交叉，次（cì）生裂紋的（de）擴展方向會不斷發生（shēng）改變，所以α片層形（xíng）貌上的粗化（huà）現象，會導致斷裂韌性值不斷下降，時效溫（wēn）度高於550℃之後，斷裂韌性值降低很快；就材料強韌性（xìng）而言，500～550℃之間時（shí），其抗拉強度降（jiàng）低不多，力學性（xìng）能比較平穩(降幅在1.01%)，並且延伸率增幅較大（dà）(增幅在25.9%)，隨後當溫度高於（yú）550℃時，其延伸率急劇（jù）下降後又逐漸恢複（fù）平穩狀態。結合室溫拉伸性能與衝擊性（xìng）能，當固溶時（shí）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（wéi）19%，實現了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（duàn）棒（bàng）在固溶時效處理後為典型的混合組（zǔ）織，並且隨（suí）著時效溫度的不斷升高，次生α相的形態由細針狀逐漸轉變為板條狀，發生熱（rè）激活下的粗化現象。

⑵初生（shēng）α相的含量以及形貌對試驗所設時效溫度不敏感（gǎn）。

⑶固（gù）溶時效製度為950℃×1.5h.AC+550℃×6h.AC時，斷裂韌性值為56J/cm2，抗拉強度為910MPa，延伸率為19%，實（shí）現了鍛造棒材強韌化的協同提高。