冷卻方式對TA10 鈦合金組織與力學性能的影響

楊嘉珞 張明玉 岳 旭,3 同曉樂,3 王玉佳 楊 斌

（1、新疆湘潤新材料科技有限公司，新疆 哈密 839000 2、大連交通大學 連續擠壓教育部工程研究中心，遼寧 大連 116028 3、新疆鈦基新材料重點實驗室，新疆 哈密 839000）

1 概述

鈦及鈦合金的具備眾多優異的綜合性能，例如無磁性、良好的生物兼容性、耐腐蝕性、耐低溫等，使得該合金在軍工、醫療、航海、化工等大量領域均有廣泛應用[1-2]。TA10 鈦合金是由美國研究出的一直近α 型鈦合金，該合金的名義成分為Ti-0.3Mo-0.8Ni，因為該合金含有Mo 元素和Ni 元素，導致該合金具有優異的耐腐蝕性，該合金因成本較低，可替代高成本的Ti-0.2Pd 合金，故其在化工領域的應用十分廣泛[3-4]。

隨著鈦合金的應用越來越廣泛，TA10 鈦合金的應用領域不斷增加，其研究也愈加多元化，蘇娟華等[5]建立并分析了TA10 鈦合金熱加工圖，發現了當增加應變時，流變失穩區以及峰值耗散效率因子都會體現出明顯的規律改變，都是先降低后增加，同時流變失穩區會變為兩個不同的失穩區。張朝暉等[6]研究了氫對TA10 合金焊接接頭組織和性能的影響，結果表明：經過滲氫處理后的接頭組織與原始組織相比，晶界變得更加模糊，組織存在大量點狀和條狀氫化物，接頭處的硬度數值呈現出字母W 形變化趨勢，硬度最高位置是焊核的中心區域，而硬度最低區域為熱影響區，滲氫處顯微硬度要高于原始態接頭處。

因為TA10 合金的應用領域不斷增加，導致對該合金的力學性能要求更高，而組織又是影響合金力學性能的關鍵，故本文研究不同冷卻方式對TA10 合金的組織影響，進一步分析組織對力學性能的影響，對該合金的組織和力學性能關系作出進一步探索。

2 試驗材料與方法

本試驗選用的材料為直徑為150 mm 的TA10 鈦合金棒材，該合金由Mo-Ni 中間合金和海綿鈦經過真空自耗熔煉爐（VAR）熔煉而成鑄錠，并經多次鍛造而成棒材，通過ICP 測得TA10 鈦合金的具體化學成分為(質量分數，%)：0.29% Mo、0.76% Ni、0.06% O、0.073% Fe、Ti余量。該合金的相變點測試方法為連續升溫金相法，測得該合金的相變點為890℃～895℃。TA10 合金棒材的原始微觀組織如圖1 所示，該組織由β 轉變組織和初生α 相組成，而β 轉變組織由次生α 相和殘余β 相（黑色區域）組成。

圖1 TA10 鈦合金棒材原始金相組織

將TA10 鈦合金棒材進行切割，隨后根據相變點選取兩相區溫度820℃×2h 進行熱處理，隨后分別進行水冷（WQ）、空冷(AC)、爐冷(FC)處理，觀察不同冷卻方式處理后的TA10 鈦合金微觀組織，并進行維氏硬度和拉伸性能測試，其中硬度測試條件為HV5。采用KSL 型號的箱式電阻爐進行熱處理，使用Axiouert 型號的光學顯微鏡觀察微觀組織，采用7MHVS 型號維氏硬度計測試硬度值，采用型號為LK-4 的電子萬能拉伸機進行拉伸測試。

3 試驗結果與分析

3.1 金相組織

圖2 為經不同冷卻方式處理后的金相組織，由圖2可知，與原始組織相比較，合金經不同冷卻方式處理后的金相組織發生較大變化，其中，經水冷處理后，組織中初生α 相含量明顯較少，同時組織中出現非常明顯的β 轉變組織，并且析出大量的六方馬氏體α'相，組織由等軸組織轉變為雙態組織。這是因為820℃為試驗用TA10 鈦合金的兩相區溫度，當合金加熱到該溫度后，組織中部分初生α 相發生溶解，導致其含量降低，在隨后進行水冷的過程中，組織中的β 相發生固態相變，轉變為六方馬氏體α' 相，并形成亞穩定β 相，組織中形成過飽和固溶體，故合金經水冷處理后的組織由初生α相、六方馬氏體α'相以及亞穩定β 相組成[7]。當合金在加熱并進行空冷處理后，形成的組織與水冷形成組織相近，但因為空冷的速度較水冷更慢，故組織中除有初生α 相外，形成了次生α 相，且次生α 相相比六方馬氏體α'相，其體積略有增大，所以經空冷處理后的組織由初生α 相和β 轉變組織組成，β 轉變組織由次生α'相以及殘余β 相組成[8]。當合金加熱并進行爐冷處理后，其組織為明顯的等軸組織，此時組織中初生α 相體積明顯增大增粗，并且形成細小棒材的次生α 相，這是因為爐冷的過程較長，組織中的初生α 相和次生α 相有足夠的能量和時間進程生長，故其組織較為粗大，形成等軸組織。

圖2 經不同冷卻方式處理后的金相組織

3.2 維氏硬度

圖3 為經不同冷卻方式處理后的維氏硬度值，由圖3可知，合金經不同冷卻方式處理后，其硬度值有一定差異，其硬度數值由大到小依次為水冷（220 HV）、空冷（185 HV）、爐冷（183 HV），其中水冷硬度最大，而空冷和爐冷差距較小。隨后對組織中初生α 相含量進行測試，測試的三種冷卻方式中其初生α 相含量分別為水冷（44 %）、空冷（43 %）、爐冷（77 %），可以發現，爐冷的組織中，初生α 相含量最多，而水冷和空冷組織中初生α 相含量幾乎一致。

圖3 經不同冷卻方式處理后的維氏硬度

在硬度測試過程中，因為水冷和空冷組織中初生α相含量幾乎一致，所以測試硬度的差異以六方馬氏體α'相和次生α 相為主，當合金進行水冷處理后，組織以初生α 相和六方馬氏體α'相為主，其中具有六方結構的α'相相比與初生α 相和次生α 相，其硬度較大，所以導致水冷處理后的硬度最大。而合金經空冷和爐冷處理后，雖然初生α 相含量差異較大，但是組織中初生α 相和次生α 相均為密排六方結構，其硬度差異較小，導致空冷和爐冷硬度差異較小[9]。

3.3 拉伸性能

圖4 為經不同冷卻方式處理后的拉伸性能，由圖4可知，合金經不同冷卻方式處理后，其抗拉強度（Rm）值分別為水冷（510MPa）、空冷（494MPa）、爐冷（477MPa），其屈服強度（RP0.2） 值分別為水冷（395MPa）、空冷（364MPa）、爐冷（338MPa），可以發現，合金的抗拉強度與屈服強度均是經水冷處理后數值最大，經爐冷處理后數值最小。在塑性方面，合金的斷后伸長率（A）趨勢與強度相反，其數值分別為水冷（23%）、空冷（27%）、爐冷（35%）。

圖4 經不同冷卻方式處理后的拉伸性能

影響合金強度與塑性的因素有合金成分、組織形貌、相含量等眾多因素。在合金經不同冷卻方式處理后，因為水冷處理后的組織中有大量α'相，在合金進行拉伸過程中，因為α'相十分細小，位錯在滑移過程中容易形成位錯塞積現象，增大合金的強度，同時，由于在水冷形成α'相的過程中，其內部同時存在大量的位錯，二者綜合作用下，導致水冷后合金的強度較高。當合金進行空冷處理后，雖然組織中沒有強度較高的α'相，但依然存在大量的細小次生α 相，在拉伸過程中同樣會有位錯塞積產生，大量次生α 相同時會有更多的相界面，較多的相界面同樣會產生強化作用。當合金進行爐冷處理后，組織中存在大量等軸狀初生α 相，等軸狀α 相含量越多，合金的塑性越好，這是因為等軸狀α 相中能開動的滑移系數量較多，在塑性變形過程中，滑移系會在位向較大的等軸狀α 相中首先開動，當組織中包含較多等軸狀α 相時，塑性變形過程中產生的形變能快速的分散到等軸狀α 相中，組織中較難出現應力集中現象，故提高合金的塑性[10]。

此外，合金的抗裂紋擴展以及抗裂紋源萌生能力也是影響合金力學性能的主要因素，其組織的抗裂紋源萌生能力對力學性能的影響較大，而滑移距離影響抗裂紋源萌生能力的主要因素，因為爐冷組織中的初生α 相含量較多，尺寸較大，導致其滑移距離較短，故其強度較低[11]。

4 結論

4.1 經水冷處理后，組織中初生α 相減少，析出大量六方馬氏體α'相，組織由等軸組織轉變為雙態組織，進行空冷處理后，組織中除有初生α 相外，還形成了次生α 相，進行爐冷處理后，組織中初生α 相體積明顯增大增粗，并且形成的細小棒材的次生α 相。

4.2 經不同冷卻方式處理后的硬度由大到小依次為水冷、空冷、爐冷，其中水冷硬度最大，而空冷和爐冷差距較小。

4.3 合金經不同冷卻方式處理后，合金的抗拉強度與屈服強度均是經水冷處理后最大，經爐冷處理后最小，在塑性方面，合金的斷后伸長率趨勢與強度相反。