Ti1023钛合金是20世纪70年代TiＭＥＴ公司针对损伤容限设计需要开发的一种高强高韧近β型钛合金，其名义成分为Ti-10V-2Fe-3Al［1-3］。该合金具有比强度高、断裂韧性好、锻造温度低、淬透性好和抗应力腐蚀能力强等优点，非常适合制造高强度的结构件，如飞机的横梁、接头、滑轨、隔框、起落架和直升机的连接件等零部件［4-6］。Ti1023钛合金的热变形主要包含加热和变形两个过程。根据传统的物理冶金理论，钛合金具有较高的层错能（纯钛约为0.31J/m2，Ti3Al约为0.208J/m2）［7］，在热变形过程中易发生位错的攀移和交滑移，而动态再结晶难以发生。但是，近些年来的研究表明，钛合金在某些合适的热变形条件下能够发生动态再结晶，再结晶机制主要为晶界弓弯形核［8-9］。动态再结晶作为材料热变形过程的一种重要现象，动态再结晶行为能够明显细化变形组织［10-11］，还能够消除因变形产生的加工硬化，进而改善钛合金的塑性和可加工性［12-13］。
钛合金的热变形过程不是单一变形过程，是加热和变形的循环过程，如钛合金铸锭开坯、改锻需要十几个循环的加热和变形才能彻底改变铸锭的原始组织，达到改善其力学性能的目的。Ti1023钛合金铸锭的锻造采用高低高温度的变形工艺，当第一个低温变形完成后，在下一次变形之前需要在高温的条件下进行加热保温，在保温过程中，内部的变形组织也会发生再结晶，此过程发生的再结晶被称为静态再结晶，如果保温时间过长，再结晶的晶粒会发生长大，抵消前期通过锻造获得的晶粒细化效果，这对于组织细化是非常不利的。因此，在完成第一次相变点以下的变形后，下一次的相变点以上加热保温过程希望组织发生再结晶细化晶粒，但不希望再结晶晶粒长大。目前，国内外学者对于再结晶的研究主要集中在热变形过程中的动态再结晶研究，对于加热保温过程发生的静态再结晶研究较少，但静态再结晶对整个变形过程的组织细化起到了不容忽视的作用。因此，本文主要对Ti1023钛合金加热保温时变形组织静态再结晶的形成机制和规律进行研究，该工作对铸锭开坯改锻工艺工程化应用提供了重要的指导意义。
1、试验材料及方法
本试验所使用的材料是通过三次真空自耗熔炼生产的Ti1023高强韧钛合金，其名义成分为Ti-10V-2Fe-3Al。试验合金的原始组织（固溶＋时效态）如图1所示，为典型的等轴组织，初生α相呈球状，均匀分布在β基体上。采用金相法测得该钛合金的相变点为800℃。
采用线切割取尺寸为100mm×100mm×150mm的试块，150mm方向与轴向保持一致，然后沿150mm方向在两相区进行70％的锻造变形，在变形后的试块上沿着变形方向取ϕ10mm×15mm的试样若干，试样在785、800、810、825、840、855、870℃下分别保温30、60、90、120、180、240和300min，试样保温后水淬，保留其高温状态下的组织。试样经打磨、抛光后进行金相腐蚀，腐蚀液的配比（体积比）为HF∶HNO3∶H2O＝1∶2∶7。金相组织观察与分析在LeicaDMI3000M型卧式金相显微镜上完成。统计并分析变形组织静态再结晶的规律，通过Origin软件绘制静态再结晶矩阵图。
2、试验结果与分析
2.1 变形组织演变规律
钛合金铸锭的晶粒组织粗大，综合性能很差，无法直接在工程上使用。为改善钛合金铸锭的组织和性能，需要将钛合金铸锭进行组织细化，常用的细化方式为锻造变形。Ti1023钛合金为高强韧型钛合金，在室温下变形抗力大，不易变形，因此钛合金的锻造变形需要在加热后完成。锻造变形过程主要有3个变形区，分别为变形死区、大变形区和自由变形区，如图2所示。与上、下模具接触的部分为Ｉ区，该区域金属变形时与模具产生横向摩擦，摩擦力阻碍金属的横向流动，该区变形量小，属于变形死区部分，该区组织与原始组织差别不大；心部为Ⅱ区，金属受压过程，心部的金属流动受上、下面工装约束，所以金属横向向外扩展，横截面面积增大，材料变形量大，有利于组织的细化，该区属于大变形区部分；外缘部分为Ⅲ区，外缘金属受到心部金属的向外挤压力，横向向外扩展变形产生鼓肚，变形量介于变形死区和大变形区之间，该区属于自由变形区部分。
Ti1023钛合金铸锭发生大变形后，原始晶粒的晶界α相发生破碎，铸锭内部组织积累大量的应变能，在后续加热过程中变形组织发生回复和再结晶，达到细化晶粒的目的。通过高低高不同的加热温度，反复锻造十几个火次，钛合金铸锭组织能够完全细化，力学性能得到提升，达到制备锻件的要求。
2.2 静态再结晶机制与规律
钛合金铸锭每次热变形都是加热和变形的重复过程，在变形过程中，通过上下面压力传导，内部变形组织发生动态再结晶，晶粒得到细化，同时内部变形组织也累积了大量的位错和高的畸变能，这些累积的位错和畸变能在铸锭冷却下来后并不会消失，而是传递到下一锻造火次中。在后续的锻造火次进行加热和保温时，变形组织内部位错团和高畸变能部位会优先形成新的晶核，变形组织发生静态再结晶，组织得到进一步细化。Ti1023钛合金在800℃以下加热和保温时，变形组织以发生回复为主，静态再结晶为辅，如图3所示，在加热温度为785℃，保温时间为90min的条件下，畸变能高的位置优先发生静态再结晶，其余部分发生回复，释放了剩余的畸变能，大部分组织保留了塑性变形的特征。
Ti1023钛合金在800℃以上加热和保温时，变形组织以发生静态再结晶为主，回复为辅。在加热温度为810℃条件下，合金保温不同时间的静态再结晶情况如图4所示。从图4（ａ）可以看出，加热温度为810℃，保温时间为30min时，合金变形组织已经完成了静态再结晶转变，再结晶后的晶粒尺寸约100μm。随着保温时间的延长，再结晶晶粒长大，当保温时间为120min时，再结晶晶粒尺寸达到200μm，长大约1倍（见图4（ｄ））。Ti1023钛合金在保温时间为90min，不同加热温度下的静态再结晶情况如图5所示。从图5（ａ）可以看出，加热温度为810℃时，再结晶晶粒尺寸约120μm。
随着加热温度的升高，再结晶晶粒发生长大，加热温度为855℃时，再结晶晶粒尺寸达到200μm，长大约1倍（见图5（ｄ））。综上所述，钛合金在变形细化组织过程中，后续加热温度和保温时间对组织细化至关重要。在800℃以上加热时，加热温度越高，保温时间越长，再结晶晶粒长大的趋势越明显，越不利于组织细化。因此，Ti1023钛合金铸锭热变形过程中在800℃以上加热和保温时需选取合适的热加工参数，避免再结晶晶粒长大抵消锻造变形的组织细化效果。因此，Ti1023钛合金铸锭开坯改锻采用高低高变形工艺时，在完成第一个低温变形后，下一个高温加热和保温时，加热温度不宜过高，保温时间不宜过长，避免再结晶晶粒长大。
2.3 再结晶矩阵图
不同的加热温度和保温时间对Ti1023钛合金变形组织发生静态再结晶的影响不同。将变形组织发生静态再结晶后的晶粒尺寸进行分级，再结晶晶粒尺寸越大，对应的晶粒度等级越小。按照上述规则，Ti1023钛合金变形组织静态再结晶后的晶粒度等级与加热温度和保温时间的矩阵图如图6所示。
根据图6可知，Ti1023钛合金在800℃以上加热保温时，在一定的加热温度下，静态再结晶的晶粒尺寸随保温时间的增加而增大，当晶粒长大到一定程度后，再结晶晶粒尺寸不再发生变化。在一定的保温时间下，静态再结晶的晶粒尺寸随加热温度的增加而增大，加热温度越高，变形组织完成静态再结晶后晶粒长大的趋势越明显。
3、结论
1）Ti1023钛合金在两相区经70％的锻造变形后，组织能够发生动态再结晶，晶粒得到细化，力学性能得到提升。
2）Ti1023钛合金经70％两相区变形后，在800℃以下加热保温时，变形组织以发生回复为主，静态再结晶为辅，再结晶晶粒未发生长大，组织保留了塑性变形的特征；在800℃以上加热保温时，变形组织以发生静态再结晶为主，回复为辅，且随着保温时间的延长，再结晶晶粒发生长大，而晶粒长大到一定程度后，随着保温时间的继续延长不再发生明显变化。
3）Ti1023钛合金经70％两相区变形后在800℃ 以上加热时，一定的保温时间条件下，静态再结晶的晶粒尺寸随加热温度的增加而增大，加热温度越高，组织完成静态再结晶后晶粒长大的趋势越明显。
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