退火温度对TA10钛合金组织与力学性能的影响

郭 新，张明玉，丁旭功，伏轩平，李晓霞

（新疆湘润新材料科技有限公司，新疆 哈密 839000）

钛及钛合金具有比强度高、密度小、无磁性以及十分优异的生物兼容性等众多优异性能，使钛及钛合金在海洋工程、生物工程、化学工程等大量领域均有十分广泛的应用［1-2］。TA10钛合金是一种十分典型的近α型钛合金，常被应用于化工领域，该合金的名义成分为Ti-0.3Mo-0.8Ni，其最早是用来取代高成本的Ti-0.2Pd合金。经过多年的发展，TA10钛合金的应用领域也愈加广泛，使得该合金具有良好的发展前景［3-4］。

目前，已有众多学者对TA10钛合金做出了较多研究，其中杨娜等人研究了固溶温度对TA10钛合金组织与力学性能的影响［5］，研究表明：合金经固溶处理后，组织中初生α相含量降低，并有次生α'相析出，增加固溶温度会使初生α相含量降低，同时合金的硬度与强度升高，而断后延伸率降低，在固溶温度达到920℃时，合金强度达到最大值。杨嘉珞等人研究了冷却方式对TA10钛合金组织与力学性能的影响［6］，研究表明：合金经水冷处理后，组织中析出α′相，经空冷处理后，除初生α相外，组织同时析出次生α相，进行炉冷处理后，初生α相体积增大，并有细小棒状α相析出，对比发现，合金经水冷处理后，强度达到最大值，经炉冷处理后，合金塑性达到最大值。陶欢等人研究了固溶时效对TA10钛合金组织与力学性能的影响［7］，研究表明：加热温度低于相变点时，固溶温度的升高会使组织中初生α相含量降低，强度增加，塑性先增加再减少，当固溶温度高于相变点后，组织转变为魏氏组织，此时合金强度进一步升高，塑性大幅度降低。

综上所述，虽然目前较多学者对TA10钛合金做出了一定研究，但发现其大多数的研究均是以固溶时效工艺为主，而对其他热处理工艺研究较少，故本文根据TA10钛合金的相转变温度，制定不同温度对TA10钛合金进行退火处理，随后研究退火温度对TA10钛合金微观组织与力学性能的影响，为该合金的工程应用做出一定参考。

1 试验材料与方法

选取直径为130 mm的TA10钛合金棒材作为试验材料，原材料为小颗粒海绵钛与Mo-Ni中间合金，经过三次真空熔炼制成钛合金铸锭，随后使用自由锻造机进行多火次锻造加工制成黑皮棒材，再经历机械加工，探伤等工艺制成直径为130 mm的成品钛合金棒材。对TA10钛合金进行化学成分检测，测得具体化学成分：0.293% Mo、0.78% Ni、0.05% O、0.070% Fe、Ti余量。使用金相法对合金相转变温度进行测试，最终测得本试验所用TA10钛合金的相转变温度为890℃。根据相转变温度分别设置两相区温度（840、860、880℃）与单相区温度（900℃）四组温度进行退火处理，具体热处理工艺方案为（840、860、880、900℃）×2 h×AC，AC表示空冷。

将TA10钛合金棒材进行切割加工，按照设定的温度对合金进行退火处理，加热设备为箱式电阻炉，待退火处理完成后，进行微观组织观察并进行室温拉伸性能测试，其中使用型号为Axiouert的光学显微镜进行微观组织观察，使用型号为Instron的电子万能试验机对合金进行室温拉伸性能测试，使用型号为Ziss的扫描电子显微镜对室温拉伸试样断口进行观察。

2 试验结果与分析

2.1 微观组织形貌

TA10钛合金经不同退火温度处理后微观组织如图1所示，可以发现，当退火温度为840℃时，此时组织中包含大量初生α相（位置A）以及β转变组织（位置B），β转变组织中包含次生α相与残余β相，此时的次生α相为细小针状形貌，而残余β相位于相邻的次生α相之间。当退火温度升高至860℃时，组织中的初生α相含量减少，β转变组织含量有所增加，继续将退火温度升高至880℃，此时的温度已经接近相转变温度，组织中初生α相含量进一步减少，β转变组织含量进一步增加，同时发现次生α相明显长大，形貌变成细小棒状。当退火温度升高至900℃时，此时退火温度已经达到单相区，组织中初生α相完全消失，有粗大的β晶粒以及三叉状晶界出现（位置C），发现在β晶粒内部有大量细小的次生α相。在退火温度升高的过程中，合金的组织类型由等轴组织（图1a）转变为双态组织（图1b、图1c）最后转变为细片层β转变组织（图1d）。

图1 经不同退火温度处理后的微观组织

TA10钛合金在加热过程中，组织中会发生α→β相转变，当加热温度位于两相区时，组织中一部分α相会转变为β相，即α相发生溶解，首先发生溶解的组织中体积最小薄的α相，该过程会使得组织中初生α相逐渐等轴化。当加热温度位于单相区时，组织中α相会全部转变为β相，即初生α相完全消失。在加热完成后，合金进行冷却，冷却过程中组织中发生β→α相转变，即组织中析出次生α相。退火温度越高，在冷却过程中产生的过冷度越高，导致次生α相含量增加且体积增大。

2.2 拉伸性能

TA10钛合金经不同退火温度处理后的拉伸性能如图2所示，由图2可知，随着退火温度的升高，合金的强度随之升高，其中抗拉强度Rm由491 MPa升高至531 MPa，屈服强度Rp0.2由341 MPa升高至410 MPa，而合金的塑性性能随着退火温度升高而降低，其断后伸长率A由35%降低至10%。

图2 经不同退火温度处理后的拉伸性能

退火温度会影响合金的组织形貌，而不同的组织形貌会对合金拉伸性能产生不同的影响。相关研究表明［8］，组织中初生α相含量与体积主要会影响合金的塑性性能，等轴状初生α相会增加合金的塑性性能，因为初生α相本身的晶体取向为无序分布，在塑性变形过程中可以激活更多的滑移系，增加组织的协调性能，导致合金的塑性增加，故随着退火温度升高，组织中初生α相含量降低，合金塑性随之降低。而影响合金强度的主要因素为组织中的次生α相，这是因为次生α相的形貌较为细小，当合金在进行塑性变形时，细小的次生α相会对位错产生一定的阻碍效果，使位错产生塞积，若要进行塑性变形，则需要施加更大的外力，故导致合金的强度增加。此外，也有研究指出［9］，组织中的β转变组织会影响组织的协调性，降低合金的塑性性能。根据组织的类型可知，等轴组织塑性性能最佳，细片层β转变组织强度最大，双态组织具有优异的综合力学性能。

2.3 断口微观形貌

TA10钛合金经不同退火温度处理后的拉伸断口微观形貌如图3所示，由图3可知，当退火温度位于两相区时，合金的拉伸断口微观主要由大量韧窝组成（位置D），韧窝的形貌为等轴状，且发现在体积较大的韧窝中还分布一定数量的小韧窝。断口形貌中的韧窝能体现合金塑性性能，当韧窝数量多且尺寸较大时，合金的塑性较大，而当韧窝数量少且尺寸较小时，意味着合金的塑性较差。发现当退火温度为两相区时，断口微观形貌中还出现了二次裂纹（位置E），二次裂纹是因为组织中存在大量的细小次生α相，当拉伸试样组织中形成裂纹后，裂纹在扩展过程中遇到次生α相后，其会改成裂纹的扩展路径，使得裂纹会向垂直裂纹扩展的方向产生分散延伸，形成二次裂纹［10］。在退火温度接近相变点时，断口微观形貌中出现了明显的撕裂棱（位置F），撕裂棱的出现意味着合金强度增加。当退火温度达到单相区后，断口形貌以结晶状岩石形貌为主，这是因为此时的组织以粗大β晶粒为主，合金在塑性变形时，空洞易在β晶粒的晶界位置形成并快速进行扩展，该形貌意味着合金塑性较差。

图3 经不同退火温度处理后的拉伸断口微观形貌

3 结论

1.当退火温度为两相区时，组织由初生α相以及β转变组织构成，β转变组织中包含次生α相与残余β相，退火温度达到单相区后，组织以粗大的β晶粒为主，并出现三叉状晶界。

2.随着退火温度升高，合金强度随之升高，而塑性随之降低，发现等轴组织塑性最佳，细片层β转变组织强度最大，双态组织具有优异的综合力学性能。

3.当退火温度位于两相区时，拉伸断口微观主要由大量等轴状韧窝组成，同时包含二次裂纹与撕裂棱，当退火温度达到单相区后，断口形貌以结晶状岩石形貌为主。