鈦及鈦合金因其密度（dù）小、比強度高、耐腐蝕和生物相（xiàng）容性好等優良（liáng）性能，是極其重要的輕質（zhì）結構材料，廣泛用於航空航天以及生物（wù）醫學等領域，具有重要的應用價值和廣闊的應用前景，與傳統同類醫用鈦合金TC4相比而言（yán），TC20鈦合金選用原（yuán）子濃度相同且性能與組織穩定、無毒害作用的Nb替代V，解決了TC20鈦合金作為醫用置換術關鍵性材料的難題。

固溶時效又稱強化熱處理，通過調控（kòng）鈦合金相變過程實現強化效果，是（shì）TC20等α+β型（xíng）合金最主要（yào）的熱處理方式。目前對於TC20的（de）工業化研究隻限於熱連軋線（xiàn）材與板材軋製等領域，而對於全流程等溫鍛造的小規格（gé）棒材組織與性能的研究相對較少，為此本文研究了不同時效溫（wēn）度下TC20鈦合金（jīn）鍛造棒材的組織（zhī）演變及熱處理工藝對（duì）其組織和性能的影響，旨在為全流程鍛造生產（chǎn）的TC20小尺寸鈦合金棒材提供生產經驗。

試驗材料以及方（fāng）法

試（shì）驗所用材料為（wéi）寶雞（jī）鈦業股份（fèn）有限公司生產，經真空自耗電弧爐（lú）二次熔煉（liàn）的φ696mm錠型鑄錠，經過β區開坯鍛造+兩相區鍛（duàn）造(鐓粗（cū）和拔長)+兩相區徑向鍛（duàn）造等一係列工序生產的φ32mm棒材。根據YS/T 1262-2018的（de）試驗方法測得化（huà）學成分見表1，經金相法測得該棒材本體相變點（diǎn）為1001℃。

表1鑄錠化學成分(質量分數，%)

熱處理試驗在箱式電阻爐（lú）中進行，表2為熱處理製度；檢測顯微組織（zhī）采用Axiovert 200 MAT光學顯微鏡，利用Clemexe成像軟件配合光學顯微鏡確定顯微組織中初生α相的（de）體積分數，室溫拉（lā）伸性能檢測使用Instron 5885電子（zǐ）萬（wàn）能（néng）材料試驗機，室溫衝擊韌性使（shǐ）用（yòng）JNS 300擺錘式衝擊試驗機。

表2經鍛（duàn）棒材熱處理（lǐ）製度

試驗結果與討論分析

時效溫度對材料微觀組織的影（yǐng）響

TC20固溶時效主要（yào）依靠轉（zhuǎn）變β組織（zhī）在後續的長時間時（shí）效過程中析出彌散的α固溶體，使合金在強韌性方麵得到（dào）協同提高。TC20鈦合金鍛棒在經相區固溶+時效處（chù）理後的顯（xiǎn）微（wēi）組織為典型的混合（hé）組織，由初生的等軸α相與β轉變組織組成，如圖1(a)所示。經950℃高溫固溶隨後空冷，會獲得大量的針狀次生α相及少數殘留β相，在隨後（hòu）的低溫時效過程中，形成少量時效ω相和β相。隨著（zhe）時（shí）效溫度的不斷升高，初生α相含量與尺寸變化不大，這是由於950℃固溶溫度在TC20合金相變點附近，較（jiào）高的固溶溫度使得（dé）過飽和度增（zēng）大，而轉變β組織在熱力學上屬於亞穩（wěn）相，隨後的時效過程屬於亞穩相的緩慢分解與析出，而亞穩相的分解與（yǔ）析出優先在晶界等（děng）能量較高的位置發生，對於尺寸（cùn）較大的初生相基本不會產生（shēng）影響。次生α相片層對（duì）隨後的時效溫度更加（jiā）敏感，在時效過（guò）程中，次生片層α相從β晶界、α/β相界及α相晶內（nèi）析出（chū），其形貌（mào）表現（xiàn）為細長而又平直的鬆針狀，如圖1(d)所示。並且次生α形貌以及尺（chǐ）寸隨著時效溫度的（de）升高發生趨勢（shì）性變化：⑴當時效溫度為500/525℃時，次生（shēng）α相與其相組元之間的邊界比較模糊，而隨著時效溫度的不斷升高，次生（shēng）α相與周圍其他組元之間的邊界逐漸變得清晰；⑵隨著時效溫度的不斷升高，次生α相的形貌由細針狀逐漸變得短粗，進而當溫（wēn）度達到600℃時，變（biàn）成典型的板條（tiáo）狀聚（jù）集分布，寬度達到500℃試（shì）樣的1.3～2倍。

圖1不同時效溫度下的顯微組織（zhī）

次生（shēng）細針狀α相片層組織的形貌粗化是一種外（wài）界（jiè）溫度驅動下的熱力（lì）學激活（huó）過程，並且時效（xiào）溫度越高，為此激活過程會提供更多的生長驅動力，同時（shí）降低了係（xì）統中次生組元的（de）形核（hé）速率，當係統處於一定（dìng）的溫度下，其次生（shēng）α相的形核（hé）速率減慢，而此時的生（shēng）長驅動力加快，進而必將促使次生片層α相（xiàng）發生粗化，而其粗化速率受到溶質原子（zǐ）的擴（kuò）散率所控製。

組織（zhī）與力學性能的相關性討論

TC20合金鍛造棒材（cái）不同時效狀態下力學（xué）性能見表3，棒材經固溶時效（xiào）處理後，組織中（zhōng）析（xī）出大量次生片層狀α相，此時當（dāng）衝擊形成的裂（liè）紋向材（cái）料內部擴（kuò）展遇到（dào）取向不同（tóng）的次生α片層（céng）時，裂紋會發生（shēng）分解，使得一大部（bù）分裂紋（wén）方向（xiàng）發生改變，隨之沿著次生α片層的最易動位向進行擴展（zhǎn），而大量次生α片層之間（jiān）相互縱橫交叉，次生裂紋的（de）擴展方向（xiàng）會不斷發生改變，所以α片層形貌上的粗化現象，會導致斷裂韌性值不斷（duàn）下降，時效溫度高於550℃之後，斷裂韌性值降低很快；就材料強韌性而言，500～550℃之間時，其抗（kàng）拉強（qiáng）度降低不多，力學性能比較平穩(降幅在1.01%)，並且延伸率增幅（fú）較大(增（zēng）幅在25.9%)，隨後當溫度高於550℃時，其延伸率急劇下降後又逐漸恢複平（píng）穩狀態。結合室溫拉伸性能與衝擊性能，當（dāng）固溶時效製度為950℃×1.5h.AC+550℃×6h.AC時，斷（duàn）裂韌性（xìng）值（zhí）為56J/cm2，抗（kàng）拉強度（dù）為910MPa，延伸率為19%，實現了（le）材料（liào）強韌化的協（xié）同提高。

表（biǎo）3不（bú）同時效狀態下力學性能

結論

⑴TC20鈦合金鍛棒在固溶時效處理後為（wéi）典型的混合組織，並（bìng）且隨著時效溫度的不斷升高，次生α相的形態由細針狀逐（zhú）漸轉變為板條狀，發生熱激活下的粗化（huà）現（xiàn）象。

⑵初生α相的含量以及形貌對試驗所設時效溫度不敏感。

⑶固溶時效（xiào）製度為950℃×1.5h.AC+550℃×6h.AC時，斷裂韌性值（zhí）為56J/cm2，抗拉強度（dù）為910MPa，延伸率為19%，實現了鍛造棒材強韌化的（de）協同提高。