不同热处理工艺对TC20钛合金棒材组织和力学性能的影响

雷文光，李建康，张婷伟，赵宏礼，曹宇岩，岳 旭，叶红川

(新疆湘润新材料科技有限公司，新疆 哈密 839100)

钛及钛合金具有密度低、比强度高、无磁性以及优良的耐蚀性能和生物相容性等特点，广泛应用于航空航天、海洋工程、石油化工、生物医疗等领域[1,2]。TC20(Ti-6Al-7Nb)钛合金是瑞士Sulzer医学技术公司研制的一种医用钛合金，其力学性能与Ti-6Al-4V合金相当，且不含对人体有潜在危害的V元素[3-4]。该合金属于中强钛合金，兼具α型钛合金和β型钛合金的优点，主要用于制造医用器械和人体植入物材料[5-7]。研究人员针对TC20钛合金的高温变形行为、热加工工艺等方面进行了大量研究[8-14]，为其应用奠定了一定基础。然而，在实际工程应用中发现，TC20钛合金棒材经固溶水淬+时效处理后易翘曲变形，直线度难以满足≤1 mm/m的要求，采用固溶水淬+退火校直处理虽可以解决棒材的直线度问题，但强度无法满足指标要求。

故以热轧态TC20钛合金棒材作为研究对象，研究不同热处理工艺对合金组织和性能的影响，并在固溶水淬和时效处理之间加入700 ℃的短时退火校直处理，以期获得最佳的热处理强化效果，从而解决工业化生产中棒材强度与直线度的匹配问题。

1 实 验

实验材料为经3次真空自耗电弧熔炼制备的φ520 mm TC20钛合金铸锭。铸锭经β相区开坯锻造后，在两相区一火次热轧成φ45 mm的棒材。经测量，TC20钛合金棒材化学成分(质量分数，w/%)为：Al 6.14，Nb 6.99，Fe 0.15，C 0.017，O 0.12，N 0.007，H 0.001，其余为Ti。金相法测得其相变点为995～1000 ℃。

TC20钛合金棒材的原始显微组织如图1所示。从图1可以看出，TC20钛合金棒材组织由均匀细小的等轴α相和短棒状α相组成，按照ETTC2显微组织评级可达A5级。

图1 TC20钛合金棒材的原始显微组织

采用箱式马弗炉(控温精度为±5 ℃)，按照表1所示热处理制度对TC20钛合金棒材进行热处理。采用岛津电子万能力学试验机进行室温力学性能测试。采用蔡司光学显微镜进行显微组织观察。

表1 TC20钛合金棒材热处理工艺

2 结果与分析

2.1 热处理对显微组织的影响

2.1.1 两相区固溶+时效对显微组织的影响

TC20钛合金棒材在两相区经不同固溶+时效处理后的显微组织为典型的双态组织，由初生的等轴α相+β转变组织组成，如图2所示。经两相区固溶后空冷，获得大量的针状次生α相及少量残留β相，在随后的550 ℃时效过程中，形成少量时效α相和β相(图2a)。经两相区固溶后快速水冷，可获得大量的马氏体α"相，在随后的550 ℃时效过程中，形成大量细小弥散的针状时效α相和β相(图2b)。当固溶温度相同时，时效温度对初生α相含量及尺寸影响不大(图2a、2e、2f)，但会引起时效α相数量及尺寸的变化，随着时效温度的提高，时效α相形核速度减慢，导致时效α相尺寸增大。

图2 TC20钛合金棒材经固溶+时效处理后的显微组织

当940 ℃固溶空冷后，经过700 ℃时效处理，次生片层α相通过相界迁移与初生α相合并长大连成一体，形成类似晶间β组织(图2c)；而固溶水冷后生成马氏体α"相，经700 ℃时效处理后，α"相发生分解生成相对粗大的次生α相和残留β相，并且无细小弥散的时效α相产生(图2d)。因此,当时效温度提高至700 ℃时，只能起到调整次生α相尺寸的作用，并不会发生时效强化作用。

2.1.2 三重热处理对显微组织的影响

TC20钛合金棒材经三重热处理后获得由初生等轴α相+次生针状α相+β转变组织组成的三态组织，如图3所示。经第一重高温固溶水淬处理后，TC20钛合金获得一定含量的初生α相和大量马氏体α"相，随后进行第二重短时退火处理，马氏体α"相分解为次生针状α相并有所长大，最后进行低温时效处理时，会析出大量细小弥散的时效α相，起到强化基体的作用。

图3 TC20钛合金棒材经三重热处理后的显微组织

2.2 热处理对力学性能的影响

2.2.1 两相区固溶+时效对力学性能的影响

TC20钛合金棒材经两相区固溶+时效处理后的室温力学性能见表2。对比HT5、HT1、HT6 3种热处理工艺，在940 ℃固溶空冷后，随着时效温度的增加，合金强度略有下降但变化不大，塑性也基本保持一致，说明经固溶空冷处理后，力学性能对时效温度并不敏感。这主要是由于空冷条件下过冷度不足，并未产生大量的马氏体α"相，大部分为针状次生α相和残留β相，在随后的低温时效过程中，强化效果极其有限。

表2 TC20钛合金棒材经不同固溶+时效处理后的室温力学性能

分别对比HT1、HT2以及HT3、HT4工艺，可以看出在相同固溶温度条件下，固溶冷却方式由空冷变为水冷时，合金强度得到显著提高，塑性变化不大。这主要是由于固溶冷却速度越快，获得的马氏体α"相数量越多，随后时效过程析出的针状α相也越多，时效强化效果越显著。此外，在固溶处理制度相同的情况下，经700 ℃时效处理的强化效果低于550 ℃，这是由于700 ℃时效时马氏体α"相发生分解生成相对粗大的次生片状α相和残留β相，并无细小弥散分布的针状α相产生。

两相区固溶+时效处理结果表明，TC20钛合金经940 ℃/1 h/WQ+550 ℃/6 h/AC处理后具有相对较好的力学性能。

2.2.2 三重热处理对力学性能的影响

TC20钛合金棒材经三重热处理后的力学性能见表3。从表3可以看出，三重热处理工艺(HT7)可以实现TC20钛合金棒材强度和塑性的较佳匹配，获得优良的综合力学性能。实际生产中，固溶水淬+时效处理(HT5)时无法避免棒材发生翘曲变形，直线度很难达到≤1 mm/m的要求，而采用固溶水淬+退火校直处理，虽可以解决棒材的直线度问题，但是强度水平提高有限，无法满足指标要求。而在固溶水淬和时效处理之间加入700 ℃的短时退火校直处理，可有效解决TC20钛合金棒材的直线度问题。

表3 TC20钛合金棒材经三重热处理后的室温力学性能

采用940 ℃/1 h/WQ+700 ℃/30 min/AC+550 ℃/6 h/AC工艺对φ45 mm的TC20钛合金棒材进行整体热处理，从棒材头部至尾部共取30组试样进行室温拉伸性能测试，结果如图4所示。从图4可以看出， TC20钛合金棒材不同部位的抗拉强度均大于900 MPa，延伸率均大于15%，强度和塑性均匀一致，稳定性较好。

图4 TC20钛合金棒材经三重热处理后不同位置的室温力学性能

3 结 论

(1) TC20钛合金棒材在两相区固溶空冷+时效处理后得到双态组织。固溶空冷后，大部分组织为针状次生α相和残留β相，在随后的时效过程中，并未析出大量细小弥散分布的时效α相，强化效果有限。

(2) 在相同固溶温度下，固溶冷却速度越快，马氏体α"相数量越多，随后低温时效过程中析出的弥散分布的针状α相也越多，时效强化效果越明显，从而使TC20钛合金棒材的强度显著提高。

(3)在相同固溶水淬条件下，经700 ℃时效处理后，马氏体α"相发生分解生成相对粗大的次生片状α相和残留β相，并无细小弥散分布的α相产生，从而导致对TC20钛合金棒材的强化效果明显低于550 ℃低温时效。

(4) TC20钛合金棒材经940 ℃/1 h/WQ+700 ℃/30 min/AC+550 ℃/6 h/AC三重热处理后，显微组织为初生等轴α相+次生针状α相+β转变组织组成的三态组织，在获得较佳强度-塑性匹配的同时，可以有效解决棒材直线度的问题。