热处理温度对TC20钛合金细晶棒材组织和性能的影响

罗锦华，朱燕丽,2，侯峰起，张 鹏，李献有

(1.西部超导材料科技股份有限公司，陕西 西安 710021)(2.西北工业大学，陕西 西安 710072)

热处理温度对TC20钛合金细晶棒材组织和性能的影响

罗锦华1，朱燕丽1,2，侯峰起1，张 鹏1，李献有1

(1.西部超导材料科技股份有限公司，陕西 西安 710021)(2.西北工业大学，陕西 西安 710072)

TC20钛合金具有较低的密度、合适的强度以及优良的生物相容性、耐腐蚀性、可加工性等特点，被广泛用作生物医用材料。细小均匀且稳定的显微组织是保障和提高TC20钛合金产品使用寿命的关键，因而研究相同加工条件下，热处理制度对棒材组织及性能的影响具有重要意义。为此，对TC20钛合金细晶棒材进行了不同温度下的热处理实验，分析了经不同温度热处理后棒材的显微组织和力学性能变化。结果表明：热处理温度对T20钛合金棒材显微组织的影响较显著，随着热处理温度的升高，细晶棒材强度持续降低，在800 ℃处理时强度降低幅度最大，而塑性基本不变。

TC20钛合金；组织；性能；热处理温度

0 引 言

TC20钛合金名义成分为Ti-6Al-7Nb，其具有低的密度、合适的强度以及优良的生物相容性、耐腐蚀性、可加工性等特点，被广泛用作生物医用材料[1]。在其他条件一致的情况下，为了提高产品的使用寿命，外科植入用TC20钛合金棒材的显微组织要尽可能细小均匀，GB/T 13810—2007要求其显微组织为α+β组织，且应符合ETTC2中的A1～A9水平。部分企业标准要求TC20钛合金棒材的高倍组织要稳定优于ETTC2中的A4水平。

西部超导材料科技股份有限公司(以下简称西部超导公司)结合多年现场经验，加工出了组织优于ETTC2中A2水平的TC20钛合金细晶棒材，并分析发现热处理温度对其组织和性能的影响规律不同于常规棒材[2]。为此，深入研究了热处理温度对西部超导公司生产的TC20钛合金细晶棒材组织和性能的影响，旨在为TC20钛合金棒材的加工和热处理提供实验依据及理论指导，以满足医疗领域对TC20钛合金棒材的需求。

1 实 验

1.1 实验材料

实验所选用的坯料为西部超导公司轧制的规格为φ14.5 mm的TC20钛合金细晶棒材，由于采用了特殊的热加工工艺，棒材组织优于ETTC2中的A2水平。经测试，棒材化学成分如表1所示。采用金相法测得其相变点为1 005～1 010 ℃。

表1 TC20钛合金棒材的化学成分(w/%)Table 1 Chemical composition of TC20 titanium alloy bar

热处理前棒材横向低倍组织整体为均匀模糊晶，显微组织中弥散分布着均匀细小的α+β相，初生α相主要呈圆形、椭圆形，另有少量呈短棒状，如图1所示。

图1 TC20钛合金棒材热加工态的高、低倍组织Fig.1 Microstructure and macrostructure of the as-rolled TC20 titanium alloy bar

1.2 实验方法

将φ14.5 mm的TC20钛合金细晶棒坯在Ⅱ级实验用箱式热处理炉内进行不同温度下的热处理。热处理温度分别为700、720、740、760、780、800、820、840、860、880、900 ℃，均保温90 min后出炉，在空气气氛中冷却至室温。将经热处理后的棒坯制成标准试样，在Instron-4507型拉力实验机上进行拉伸试验；采用LEICA MEF4A倒立金相显微镜及JSM 6460扫描电子显微镜观察其组织形貌。

2 结果与讨论

2.1 热处理温度对细晶棒材显微组织的影响

图2为TC20钛合金棒材经不同温度热处理后，利用光学显微镜拍摄的放大倍数为200倍的金相照片。与热加工态棒材的显微组织(见图1b)相比，经700、720、740 ℃热处理后(见图2a)，棒材显微组织的变化较小，组织形貌与相比例没有明显改变。780 ℃下保温90 min后(见图2b)，α相析出，随着热处理温度升高，α相含量明显增加，820 ℃处理后(见图2c)，α相含量达到峰值。之后，随着热处理温度的继续升高，棒材组织中的α相减少，β相增加，当热处理温度为900 ℃时(见图2d)，棒材组织中的α相和β相含量基本趋于平衡。

图2 经不同温度热处理后TC20钛合金棒材的金相照片(放大倍数为200倍)Fig.2 Metallographs of TC20 titanium alloy bars heat treated under different temperatures(200×)

为了进一步观察α相和β相的分布情况，利用扫描电子显微镜进行了更高放大倍数的组织观察，得到的SEM照片如图3及图4所示。

从放大倍数为500倍和5 000倍的电子显微照片可以观察到，当热处理温度在760 ℃时(见图3b)，TC20钛合金棒材显微组织中的β相减少，α相析出；780～820 ℃时(见图3c、d、e及图4b、c、d)，α相明显析出、合并、长大，在800 ℃时，α相尺寸和含量达到最大；840 ℃时(见图4e)，α相溶解，β相含量增加；当热处理温度为900 ℃时(见图3f及图4f)，α相和β相的相比例基本回到热处理前的状态。

图3 经不同温度热处理后TC20钛合金棒材的SEM照片(放大倍数为500倍)Fig.3 SEM photos of TC20 titanium alloy bars heat treated under different temperatures(500×)

图4 经不同温度热处理后TC20钛合金棒材的SEM照片(放大倍数为5 000倍)Fig.4 SEM photos of TC20 titanium alloy bars heat treated under different temperatures(5 000×)

表2为利用金相分析软件得到的TC20钛合金棒材经不同温度热处理后，其显微组织中α相的比例。由于热加工过程中的剧烈变形及温度变化，使得热加工态TC20钛合金细晶棒材内部畸变能大大增加。在700～760 ℃热处理时，是去应力过程，畸变能缓慢释放，组织没有明显改变；760～820 ℃热处理时，为再结晶过程，在温度的驱动下，α相不断析出、合并、长大，且趋于等轴化。当热处理达到820 ℃及以上时，α相发生溶解，β相增加。出炉后，由于棒材样本较小，冷却速度很快，导致从β相转变为α相的过程来不及进行，从而使β相转变为成分与母相相同、而晶体结构不同的过饱和固溶体或过冷β相[3]。由图4可以看出，α相溶解形成的β相(图4f)与初始β相(图4a)的形貌差异较大。

表2 经不同温度热处理后TC20钛合金细晶棒材显微组织中α相的比例Table 2 α phase proportion of TC20 titanium alloy bars heat treated under different temperatures

2.2 热处理温度对细晶棒材室温力学性能的影响

传统热加工工艺认为：TC20钛合金铸锭经开坯锻造近成品时，在940 ℃左右加热，火次变形量控制在50% ～70%，可得到等轴α+β转变组织，满足ETTC2中的A1～A9水平。当在700～850 ℃之间对其进行热处理时，棒材的室温拉伸性能会随着热处理温度的改变发生明显变化，温度升高，强度逐渐降低，塑性逐渐升高并到达峰值后回落[4]。

图5为TC20钛合金细晶棒材经不同温度热处理后的室温力学性能变化曲线。

图5 经不同温度热处理后TC20钛合金棒材的室温拉伸性能变化曲线Fig.5 Mechanical properties of TC20 titanium alloy bars heat treated under different temperatures

由图5可以看出，热处理后TC20钛合金棒材的室温强度变化较为明显，Rm和Rp0.2均逐渐降低，且在780～820 ℃处理时，降幅最大，约为20%，而塑性指标A和Z则没有明显变化。

钛合金热处理强化的效果取决于淬火所得亚稳定相(马氏体α′，α″，亚稳β相)的类型、成分、数量、分布以及在加热分解过程中析出相的本质、结构和弥散程度等，而这些又与合金的成分、热处理工艺规范和原始组织有关[3]。TC20钛合金细晶棒材经特殊的热加工工艺处理后，产生了大量位错，塞积在晶界和晶内，细晶强化作用加强，导致棒材强度增加。当热处理温度较低时，这些位错重新排列或相互抵消，导致强度下降，但α相和β相整体比例均衡，且细小均匀，表现出优良的塑性。当热处理温度升高时，初生α相发生静态再结晶，引起室温拉伸强度下降。继续升高温度，α相明显析出、合并、长大，强度下降更为明显，但细小均匀的晶粒仍然可以维持棒材塑性处于相对稳定的水平。当热处理温度更高时，α相溶解，β相增加，塑性指标A和Z整体维持在一个较平稳的状态。

3 结 论

(1)TC20钛合金细晶棒材组织对热处理温度敏感，在700～760 ℃之间热处理时，主要是去应力过程；在780～820 ℃之间热处理时，α相析出、合并、长大，800 ℃时α相尺寸和含量均达最大；在820～900 ℃之间热处理时，α相溶解，转化为β相，900 ℃时α相和β相含量基本趋于平衡。

(2)在700～900 ℃之间对TC20钛合金细晶棒材进行热处理后，棒材室温强度持续下降且在800 ℃附近时下降幅度最大，塑性基本不变。

[1] 姚志修.钛——理想的人体植入材料[J].医药情报,1994,(5):17-18.

[2] 唐晓东，杜宇晅，刘向宏.热处理对Ti-6Al-7Nb钛合金组织及性能的影响[J].材料热处理技术,2011,40(22):172-187.

[3] 邓安华.钛合金的马氏体相变[J].上海有色金属,1999,20(4):193-199.

[4] 牛中杰,曹继敏,杨冠军,等.Ti-6Al-7Nb钛合金热加工与热处理工艺研究[J].钛工业进展,2006,23(1):24-27.

Effect of Heat Treatment Temperature on Microstructures and Properties of TC20 Titanium Alloy Bars

Luo Jinhua1,Zhu Yanli1,2,Hou Fengqi1,Zhang Peng1,Li Xianyou1

(1.Western Superconducting Technologies Co.,Ltd.,Xi’an 710021，China) (2.Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072，China)

For the lower density,proper strength and better biomedical compatibility,corrosion resistance,machinability,TC20 titanium alloy was widely used as biomaterial.Homogeneous fine grain and stable microstructure were the key factors to promote the working life of the implant.So with the same process,comparison and analysis of the microstructures and related mechanical properties under different heat treatment were significant.The effects of heat treatment on microstructures and properties of TC20 titanium alloys were studied in this paper.The results show that heat treatment has great influence on the microstructure.With the increasing heat treatment temperatures,the strength is decreased,and the reduction is distinctly when heat treated at 800 ℃， but the elongation is essentially unchanged.

TC20 titanium alloy; mechanical property; microstructure; heat treatment temperature

2015-03-10

罗锦华(1964—)，男，高级工程师。