鈦及鈦（tài）合金因其密度小、比強度（dù）高、耐腐（fǔ）蝕和生（shēng）物相容性好等優良性能，是極（jí）其重要（yào）的輕質結構材料，廣（guǎng）泛用於（yú）航空（kōng）航（háng）天以及生物醫學等領域，具有重要的應用價值（zhí）和廣闊（kuò）的（de）應用（yòng）前景，與傳統同類醫（yī）用鈦合（hé）金TC4相比而言，TC20鈦合（hé）金選用原子濃度相同且性能與組織穩定、無毒（dú）害作用的Nb替代V，解決了TC20鈦合金作為醫用置換（huàn）術（shù）關鍵性（xìng）材（cái）料的難題。

固溶時效又稱強化熱處理，通過調控鈦合金相變過程實現強化效果，是TC20等（děng）α+β型合金最主要的熱處理方式。目前對於TC20的工業化研究隻限於熱連軋線材（cái）與板材軋製等領域，而對（duì）於全流程等溫鍛造的小規格棒材組織與性能的研究相對較少，為此本文研究了不同時效溫度下TC20鈦合金鍛造棒材的組織演變及熱處理工藝對其（qí）組織和性能的影響，旨在為全流程鍛造生產的TC20小尺寸鈦合金棒材提供生（shēng）產（chǎn）經（jīng）驗（yàn）。

試驗材料以及方法

試驗所（suǒ）用材料為寶雞鈦業股份有限公司生產，經真空自（zì）耗電弧爐二次熔煉的φ696mm錠型鑄錠，經過β區開坯鍛造+兩相區鍛造(鐓粗和拔長)+兩相區徑向鍛造等一係列工序（xù）生產的φ32mm棒材。根據YS/T 1262-2018的試驗方法測得化學成（chéng）分見表1，經（jīng）金（jīn）相法測得該棒（bàng）材本體相變點為1001℃。

表1鑄錠化學成分（fèn）(質（zhì）量分數，%)

熱處理試驗在箱式電阻爐中進行，表2為熱處（chù）理製度；檢測顯微組織采（cǎi）用Axiovert 200 MAT光學顯微鏡，利用Clemexe成像軟件配合（hé）光學顯（xiǎn）微鏡確定顯微組織中初生α相的體積分數，室溫拉伸性能檢測使（shǐ）用Instron 5885電子萬能材料試驗機，室溫衝擊韌性使用JNS 300擺錘（chuí）式衝擊試（shì）驗機。

表2經鍛棒材（cái）熱處理製度

試驗（yàn）結（jié）果與討論分析

時效溫度對材料微觀組織的影響

TC20固溶時效主要依靠轉變β組織在後續的長時間時效過程（chéng）中析出彌散的α固溶體，使合金在強韌性方麵得（dé）到協同提高。TC20鈦合金鍛棒在經相區固溶+時效處理後的顯微組織為典型的混合組織，由初生的等軸α相（xiàng）與（yǔ）β轉變組織組成，如圖1(a)所示。經950℃高溫固溶隨（suí）後（hòu）空冷，會獲得大量（liàng）的針狀（zhuàng）次生α相及少數殘留β相，在隨後的低溫時效（xiào）過程中，形（xíng）成少量（liàng）時效ω相和β相。隨著時效溫度的不斷升高，初生α相含量與尺寸變化不大，這（zhè）是由於950℃固溶溫（wēn）度在TC20合金相變點附近，較高的固溶溫度使得過飽和度增大，而（ér）轉變β組織在熱力學（xué）上屬於亞穩相，隨後的時效過程屬於亞穩相的緩慢分解與析出（chū），而亞穩（wěn）相的分解（jiě）與析（xī）出優先在晶界等能量較高的位置（zhì）發生，對於尺寸較大的初生（shēng）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，在時效過程中，次生片層α相從β晶界、α/β相界及α相晶內析出，其形貌表現為細長而（ér）又（yòu）平直的鬆針狀，如圖1(d)所示（shì）。並且次生（shēng）α形貌以及尺寸隨著（zhe）時效溫度的升高發生趨勢性變化：⑴當時效（xiào）溫度為500/525℃時，次生α相與其相組元之間的邊（biān）界比較模糊，而隨著時效溫度的不斷（duàn）升高，次生α相與周圍其（qí）他組元之間的邊界逐漸變（biàn）得清晰；⑵隨著時效溫度的（de）不斷升高，次生α相的形貌由（yóu）細針狀逐漸變得短（duǎn）粗，進而當溫度達到600℃時（shí），變成典型的板條狀聚集分布（bù），寬度達到500℃試樣（yàng）的1.3～2倍。

圖（tú）1不同時效（xiào）溫度下的顯微組織（zhī）

次生細針狀α相（xiàng）片層組織的形貌粗化是一種外界溫度驅動下的熱力（lì）學激活過程，並且時效溫（wēn）度越高，為此激活過程會提供更多的生長驅動力，同時（shí）降低了係統中（zhōng）次生（shēng）組元的形（xíng）核速率，當係統（tǒng）處（chù）於一定的溫度下，其次生α相的形核速率減慢，而此時的（de）生長（zhǎng）驅（qū）動力加快（kuài），進而必（bì）將促使次生片層α相發生（shēng）粗化，而其粗化速率受（shòu）到溶質原子的擴散率所控製。

組織與力學（xué）性能的（de）相關性討論

TC20合金鍛造棒材不同時效狀態下力學性能見表3，棒材經固溶時效處（chù）理後，組織中析（xī）出大（dà）量次生片層狀α相，此時當（dāng）衝擊形成（chéng）的裂紋向材料內部擴展（zhǎn）遇到取向不同的次生α片層時，裂紋會發生（shēng）分解，使（shǐ）得一大部分裂紋方向發生改變（biàn），隨之沿著次生α片層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，次生裂紋（wén）的擴（kuò）展方向（xiàng）會不斷發（fā）生改變，所以α片層形貌上的粗（cū）化（huà）現象（xiàng），會導致斷裂韌性值不斷下降，時效（xiào）溫度（dù）高於550℃之後，斷裂韌性值降低很快；就材料強韌性而言，500～550℃之間（jiān）時（shí），其抗拉強度降低不多（duō），力（lì）學性能比較平穩(降幅在1.01%)，並且（qiě）延伸率增幅較大(增幅（fú）在25.9%)，隨後當溫度高於550℃時，其延伸率急劇下降後又逐漸恢複平穩（wěn）狀態。結合室溫拉伸性能與衝擊（jī）性能，當固溶時（shí）效（xiào）製度為950℃×1.5h.AC+550℃×6h.AC時，斷裂（liè）韌性值為56J/cm2，抗拉（lā）強度為910MPa，延伸率為19%，實現了材料強韌化的協同提高。

表（biǎo）3不同時效狀態下力學性能

結論

⑴TC20鈦合金鍛棒在固（gù）溶時（shí）效處理後為典型（xíng）的混合組織，並且隨著時效（xiào）溫度的不斷升（shēng）高，次生（shēng）α相的形態由細針狀逐漸（jiàn）轉變為板條狀，發生熱激活下的粗化（huà）現象。

⑵初生α相的含量以及形貌對試驗所設（shè）時效溫度不敏感。

⑶固溶時效（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19%，實現（xiàn）了鍛造棒材強韌化的協同提高。