钛及钛合金因其密度小(xiǎo)、比強度高、耐腐蝕和生(shēng)物(wù)相容性好等優良性能，是極其重要的輕質結構材料，廣泛用于航空航天以及生(shēng)物(wù)醫學等領域，具有重要的應用價值和廣闊的應用前景，與傳統同類醫用钛合金TC4相比而言，TC20钛合金選用原子濃度相同且性能與組織穩定、無毒害作用的Nb替代V，解決了TC20钛合金作爲醫用置換術關鍵性材料的難題。

固溶時效又(yòu)稱強化熱處理，通過調控钛合金相變過程實現強化效果，是TC20等α+β型合金最主要的熱處理方式。目前對于TC20的工(gōng)業化研究隻限于熱連軋線材與闆材軋制等領域，而對于全流程等溫鍛造的小(xiǎo)規格棒材組織與性能的研究相對較少，爲此本文研究了不同時效溫度下(xià)TC20钛合金鍛造棒材的組織演變及熱處理工(gōng)藝對其組織和性能的影響，旨在爲全流程鍛造生(shēng)産的TC20小(xiǎo)尺寸钛合金棒材提供生(shēng)産經驗。

試驗材料以及方法

試驗所用材料爲寶雞钛業股份有限公司生(shēng)産，經真空自耗電(diàn)弧爐二次熔煉的φ696mm錠型鑄錠，經過β區開(kāi)坯鍛造+兩相區鍛造(镦粗和拔長)+兩相區徑向鍛造等一(yī)系列工(gōng)序生(shēng)産的φ32mm棒材。根據YS/T 1262-2018的試驗方法測得化學成分(fēn)見表1，經金相法測得該棒材本體(tǐ)相變點爲1001℃。

表1鑄錠化學成分(fēn)(質量分(fēn)數，%)

熱處理試驗在箱式電(diàn)阻爐中(zhōng)進行，表2爲熱處理制度；檢測顯微組織采用Axiovert 200 MAT光學顯微鏡，利用Clemexe成像軟件配合光學顯微鏡确定顯微組織中(zhōng)初生(shēng)α相的體(tǐ)積分(fēn)數，室溫拉伸性能檢測使用Instron 5885電(diàn)子萬能材料試驗機，室溫沖擊韌性使用JNS 300擺錘式沖擊試驗機。

表2經鍛棒材熱處理制度

試驗結果與讨論分(fēn)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中(zhōng)析出彌散的α固溶體(tǐ)，使合金在強韌性方面得到協同提高。TC20钛合金鍛棒在經相區固溶+時效處理後的顯微組織爲典型的混合組織，由初生(shēng)的等軸α相與β轉變組織組成，如圖1(a)所示。經950℃高溫固溶随後空冷，會獲得大(dà)量的針狀次生(shēng)α相及少數殘留β相，在随後的低溫時效過程中(zhōng)，形成少量時效ω相和β相。随着時效溫度的不斷升高，初生(shēng)α相含量與尺寸變化不大(dà)，這是由于950℃固溶溫度在TC20合金相變點附近，較高的固溶溫度使得過飽和度增大(dà)，而轉變β組織在熱力學上屬于亞穩相，随後的時效過程屬于亞穩相的緩慢(màn)分(fēn)解與析出，而亞穩相的分(fēn)解與析出優先在晶界等能量較高的位置發生(shēng)，對于尺寸較大(dà)的初生(shēng)相基本不會産生(shēng)影響。次生(shēng)α相片層對随後的時效溫度更加敏感，在時效過程中(zhōng)，次生(shēng)片層α相從β晶界、α/β相界及α相晶内析出，其形貌表現爲細長而又(yòu)平直的松針狀，如圖1(d)所示。并且次生(shēng)α形貌以及尺寸随着時效溫度的升高發生(shēng)趨勢性變化：⑴當時效溫度爲500/525℃時，次生(shēng)α相與其相組元之間的邊界比較模糊，而随着時效溫度的不斷升高，次生(shēng)α相與周圍其他組元之間的邊界逐漸變得清晰；⑵随着時效溫度的不斷升高，次生(shēng)α相的形貌由細針狀逐漸變得短粗，進而當溫度達到600℃時，變成典型的闆條狀聚集分(fēn)布，寬度達到500℃試樣的1.3～2倍。

圖1不同時效溫度下(xià)的顯微組織

次生(shēng)細針狀α相片層組織的形貌粗化是一(yī)種外(wài)界溫度驅動下(xià)的熱力學激活過程，并且時效溫度越高，爲此激活過程會提供更多的生(shēng)長驅動力，同時降低了系統中(zhōng)次生(shēng)組元的形核速率，當系統處于一(yī)定的溫度下(xià)，其次生(shēng)α相的形核速率減慢(màn)，而此時的生(shēng)長驅動力加快，進而必将促使次生(shēng)片層α相發生(shēng)粗化，而其粗化速率受到溶質原子的擴散率所控制。

組織與力學性能的相關性讨論

TC20合金鍛造棒材不同時效狀态下(xià)力學性能見表3，棒材經固溶時效處理後，組織中(zhōng)析出大(dà)量次生(shēng)片層狀α相，此時當沖擊形成的裂紋向材料内部擴展遇到取向不同的次生(shēng)α片層時，裂紋會發生(shēng)分(fēn)解，使得一(yī)大(dà)部分(fēn)裂紋方向發生(shēng)改變，随之沿着次生(shēng)α片層的最易動位向進行擴展，而大(dà)量次生(shēng)α片層之間相互縱橫交叉，次生(shēng)裂紋的擴展方向會不斷發生(shēng)改變，所以α片層形貌上的粗化現象，會導緻斷裂韌性值不斷下(xià)降，時效溫度高于550℃之後，斷裂韌性值降低很快；就材料強韌性而言，500～550℃之間時，其抗拉強度降低不多，力學性能比較平穩(降幅在1.01%)，并且延伸率增幅較大(dà)(增幅在25.9%)，随後當溫度高于550℃時，其延伸率急劇下(xià)降後又(yòu)逐漸恢複平穩狀态。結合室溫拉伸性能與沖擊性能，當固溶時效制度爲950℃×1.5h.AC+550℃×6h.AC時，斷裂韌性值爲56J/cm2，抗拉強度爲910MPa，延伸率爲19%，實現了材料強韌化的協同提高。

表3不同時效狀态下(xià)力學性能

結論

⑴TC20钛合金鍛棒在固溶時效處理後爲典型的混合組織，并且随着時效溫度的不斷升高，次生(shēng)α相的形态由細針狀逐漸轉變爲闆條狀，發生(shēng)熱激活下(xià)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。

⑶固溶時效制度爲950℃×1.5h.AC+550℃×6h.AC時，斷裂韌性值爲56J/cm2，抗拉強度爲910MPa，延伸率爲19%，實現了鍛造棒材強韌化的協同提高。