不同熱處理工藝對TC20鈦合金棒材組織和力學性能的影響

雷文光，李建康，張婷偉，趙宏禮，曹宇巖，岳 旭，葉紅川

(新疆湘潤新材料科技有限公司，新疆 哈密 839100)

鈦及鈦合金具有密度低、比強度高、無磁性以及優良的耐蝕性能和生物相容性等特點，廣泛應用于航空航天、海洋工程、石油化工、生物醫療等領域[1,2]。TC20(Ti-6Al-7Nb)鈦合金是瑞士Sulzer醫學技術公司研制的一種醫用鈦合金，其力學性能與Ti-6Al-4V合金相當，且不含對人體有潛在危害的V元素[3-4]。該合金屬于中強鈦合金，兼具α型鈦合金和β型鈦合金的優點，主要用于制造醫用器械和人體植入物材料[5-7]。研究人員針對TC20鈦合金的高溫變形行為、熱加工工藝等方面進行了大量研究[8-14]，為其應用奠定了一定基礎。然而，在實際工程應用中發現，TC20鈦合金棒材經固溶水淬+時效處理后易翹曲變形，直線度難以滿足≤1 mm/m的要求，采用固溶水淬+退火校直處理雖可以解決棒材的直線度問題，但強度無法滿足指標要求。

故以熱軋態TC20鈦合金棒材作為研究對象，研究不同熱處理工藝對合金組織和性能的影響，并在固溶水淬和時效處理之間加入700 ℃的短時退火校直處理，以期獲得最佳的熱處理強化效果，從而解決工業化生產中棒材強度與直線度的匹配問題。

1 實 驗

實驗材料為經3次真空自耗電弧熔煉制備的φ520 mm TC20鈦合金鑄錠。鑄錠經β相區開坯鍛造后，在兩相區一火次熱軋成φ45 mm的棒材。經測量，TC20鈦合金棒材化學成分(質量分數，w/%)為：Al 6.14，Nb 6.99，Fe 0.15，C 0.017，O 0.12，N 0.007，H 0.001，其余為Ti。金相法測得其相變點為995～1000 ℃。

TC20鈦合金棒材的原始顯微組織如圖1所示。從圖1可以看出，TC20鈦合金棒材組織由均勻細小的等軸α相和短棒狀α相組成，按照ETTC2顯微組織評級可達A5級。

圖1 TC20鈦合金棒材的原始顯微組織

采用箱式馬弗爐(控溫精度為±5 ℃)，按照表1所示熱處理制度對TC20鈦合金棒材進行熱處理。采用島津電子萬能力學試驗機進行室溫力學性能測試。采用蔡司光學顯微鏡進行顯微組織觀察。

表1 TC20鈦合金棒材熱處理工藝

2 結果與分析

2.1 熱處理對顯微組織的影響

2.1.1 兩相區固溶+時效對顯微組織的影響

TC20鈦合金棒材在兩相區經不同固溶+時效處理后的顯微組織為典型的雙態組織，由初生的等軸α相+β轉變組織組成，如圖2所示。經兩相區固溶后空冷，獲得大量的針狀次生α相及少量殘留β相，在隨后的550 ℃時效過程中，形成少量時效α相和β相(圖2a)。經兩相區固溶后快速水冷，可獲得大量的馬氏體α"相，在隨后的550 ℃時效過程中，形成大量細小彌散的針狀時效α相和β相(圖2b)。當固溶溫度相同時，時效溫度對初生α相含量及尺寸影響不大(圖2a、2e、2f)，但會引起時效α相數量及尺寸的變化，隨著時效溫度的提高，時效α相形核速度減慢，導致時效α相尺寸增大。

圖2 TC20鈦合金棒材經固溶+時效處理后的顯微組織

當940 ℃固溶空冷后，經過700 ℃時效處理，次生片層α相通過相界遷移與初生α相合并長大連成一體，形成類似晶間β組織(圖2c)；而固溶水冷后生成馬氏體α"相，經700 ℃時效處理后，α"相發生分解生成相對粗大的次生α相和殘留β相，并且無細小彌散的時效α相產生(圖2d)。因此,當時效溫度提高至700 ℃時，只能起到調整次生α相尺寸的作用，并不會發生時效強化作用。

2.1.2 三重熱處理對顯微組織的影響

TC20鈦合金棒材經三重熱處理后獲得由初生等軸α相+次生針狀α相+β轉變組織組成的三態組織，如圖3所示。經第一重高溫固溶水淬處理后，TC20鈦合金獲得一定含量的初生α相和大量馬氏體α"相，隨后進行第二重短時退火處理，馬氏體α"相分解為次生針狀α相并有所長大，最后進行低溫時效處理時，會析出大量細小彌散的時效α相，起到強化基體的作用。

圖3 TC20鈦合金棒材經三重熱處理后的顯微組織

2.2 熱處理對力學性能的影響

2.2.1 兩相區固溶+時效對力學性能的影響

TC20鈦合金棒材經兩相區固溶+時效處理后的室溫力學性能見表2。對比HT5、HT1、HT6 3種熱處理工藝，在940 ℃固溶空冷后，隨著時效溫度的增加，合金強度略有下降但變化不大，塑性也基本保持一致，說明經固溶空冷處理后，力學性能對時效溫度并不敏感。這主要是由于空冷條件下過冷度不足，并未產生大量的馬氏體α"相，大部分為針狀次生α相和殘留β相，在隨后的低溫時效過程中，強化效果極其有限。

表2 TC20鈦合金棒材經不同固溶+時效處理后的室溫力學性能

分別對比HT1、HT2以及HT3、HT4工藝，可以看出在相同固溶溫度條件下，固溶冷卻方式由空冷變為水冷時，合金強度得到顯著提高，塑性變化不大。這主要是由于固溶冷卻速度越快，獲得的馬氏體α"相數量越多，隨后時效過程析出的針狀α相也越多，時效強化效果越顯著。此外，在固溶處理制度相同的情況下，經700 ℃時效處理的強化效果低于550 ℃，這是由于700 ℃時效時馬氏體α"相發生分解生成相對粗大的次生片狀α相和殘留β相，并無細小彌散分布的針狀α相產生。

兩相區固溶+時效處理結果表明，TC20鈦合金經940 ℃/1 h/WQ+550 ℃/6 h/AC處理后具有相對較好的力學性能。

2.2.2 三重熱處理對力學性能的影響

TC20鈦合金棒材經三重熱處理后的力學性能見表3。從表3可以看出，三重熱處理工藝(HT7)可以實現TC20鈦合金棒材強度和塑性的較佳匹配，獲得優良的綜合力學性能。實際生產中，固溶水淬+時效處理(HT5)時無法避免棒材發生翹曲變形，直線度很難達到≤1 mm/m的要求，而采用固溶水淬+退火校直處理，雖可以解決棒材的直線度問題，但是強度水平提高有限，無法滿足指標要求。而在固溶水淬和時效處理之間加入700 ℃的短時退火校直處理，可有效解決TC20鈦合金棒材的直線度問題。

表3 TC20鈦合金棒材經三重熱處理后的室溫力學性能

采用940 ℃/1 h/WQ+700 ℃/30 min/AC+550 ℃/6 h/AC工藝對φ45 mm的TC20鈦合金棒材進行整體熱處理，從棒材頭部至尾部共取30組試樣進行室溫拉伸性能測試，結果如圖4所示。從圖4可以看出， TC20鈦合金棒材不同部位的抗拉強度均大于900 MPa，延伸率均大于15%，強度和塑性均勻一致，穩定性較好。

圖4 TC20鈦合金棒材經三重熱處理后不同位置的室溫力學性能

3 結 論

(1) TC20鈦合金棒材在兩相區固溶空冷+時效處理后得到雙態組織。固溶空冷后，大部分組織為針狀次生α相和殘留β相，在隨后的時效過程中，并未析出大量細小彌散分布的時效α相，強化效果有限。

(2) 在相同固溶溫度下，固溶冷卻速度越快，馬氏體α"相數量越多，隨后低溫時效過程中析出的彌散分布的針狀α相也越多，時效強化效果越明顯，從而使TC20鈦合金棒材的強度顯著提高。

(3)在相同固溶水淬條件下，經700 ℃時效處理后，馬氏體α"相發生分解生成相對粗大的次生片狀α相和殘留β相，并無細小彌散分布的α相產生，從而導致對TC20鈦合金棒材的強化效果明顯低于550 ℃低溫時效。

(4) TC20鈦合金棒材經940 ℃/1 h/WQ+700 ℃/30 min/AC+550 ℃/6 h/AC三重熱處理后，顯微組織為初生等軸α相+次生針狀α相+β轉變組織組成的三態組織，在獲得較佳強度-塑性匹配的同時，可以有效解決棒材直線度的問題。