热加工工艺对TC20钛合金板材组织和性能的影响

1、前言

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]。TC20钛合金采用与V 有相同原子浓度的无毒害的β稳定元素Nb 替代V，消除了对人体有害元素的影响，经长期临床应用后，现已被世界医学界所承认，将逐步取代Ti-6Al-4V 钛合金[2]。国内TC20钛合金主要产品形式以棒材为主，随着医疗领域市场的不断拓展，对TC20钛合金板材的需求日益旺盛，而目前关于TC20钛合金板材制备工艺的研究较少。牛中杰[3] 等研究发现TC20钛合金坯料轧制在两相区900℃～ 960℃进行，火次变形量控制在50% ～ 70%，坯料轧制后显微组织为典型双态组织，主要为球状α+ 晶间β或β转变组织，在两相区轧制晶粒一般较细，并且能够符合ETTC2 标准的A1 ～ A9金相图谱，同时具有优良的力学性能。在TC20钛合金板材工业化生产过程中，常规力学性能和外观尺寸已经可以得到稳定控制，但是在显微组织批次稳定性方面还有改善空间。

基于以上背景和现状，本文的主要目的是通过研究TC20钛合金板坯锻造工艺、轧制工艺和热处理工艺对组织和性能的影响，优化出最佳工艺参数，为实际生产提供指导和借鉴。

2、实验

2.1 实验材料

实验选用宝鸡钛业股份有限公司经3 次VAR 熔炼的TC20钛合金铸锭，化学成分符合GB/T13810-2017标准规定，具体如表1 所示。采用金相法测得其相变点为1010℃。

2.2 实验方法

将铸锭在长度方向上进行二等分，在单相区进行加热，分别采取未墩拔和两镦两拔锻造工艺进行板坯制备，板坯在两相区进行单向轧制和交叉轧制，板材成品厚度为20mm，用水切割方法取横向室温拉伸和金相组织试样后进行热处理实验，具体热加工工艺和热处理实验方案见表2。在CMT5105 电子万能试验机上测试室温拉伸性能。金相试样经砂纸打磨和机械抛光后，采用配比为HF ：HNO3 ：H2O=1 ：3 ：9（ 体积分数）的侵蚀液腐蚀，用Axiovert200mat 光学显微镜进行显微组织观察。

3、结果与讨论

3.1 锻造工艺对板材显微组织的影响

以单向轧制后的板材为对象，分析两种锻造工艺对板材显微组织的影响，见图1 和图2。结果表明，板坯制备时未镦拔，板材的显微组织中条状α相的比例较大，且α相的尺寸差异较大，局部区域聚集大尺寸的条状α相，局部区域的条状α相尺寸细小，并且这两种区域呈相互交错分布；在热处理过程中，随着温度的升高，条状α相的比例逐渐减小，900℃时显微组织中的条状α相没有完全消除，显微组织不均匀。板坯制备采用镦拔工艺后，显微组织也是由条状α相组成，但条状α相的尺寸差异不大，组织均匀性好；在热处理过程中，大部分条状α相出现再结晶现象，转变成等轴α相，组织均匀性显著改善。组织评级表明，采用镦拔工艺的板材显微组织符合ETTC2 标准中的A3 ～ A6级；采用未墩拔的板材组织均匀性较差，组织评级不符合ETTC2 标准中的A1 ～ A9 级。因此，板坯制备采用镦拔工艺能够使成品板材的组织均匀性得到有效改善。

3.2 轧制工艺对板材显微组织的影响

由于镦拔工艺的板材显微组织符合标准要求，所以分析轧制工艺对板材显微组织的影响以镦拔板坯为对象。图3为TC20钛合金板坯经单向和交叉轧制并热处理后的显微组织，热处理制度为780℃ ×1h，AC。结果表明，采用单向轧制的板材显微组织由长条α相和等轴α相组成，但条状α相的比例多，显微组织不均匀；采用交叉轧制后，板材的显微组织由等轴α相和β转变组织组成，显微组织均匀性良好。

3.3 热处理制度对板材显微组织的影响

通过上述研究发现，工艺4 的板材显微组织均匀性最好，因此以工艺4 轧制后的板材为对象，研究热处理工艺对显微组织的影响，结果见图4。经过740℃退火后，大部分条状α相都转变成等轴α相（图4b）；在740℃ ~800℃温度范围内退火，随着温度的升高，显微组织的变化不明显（图4b~e）；在820℃以上温度退火后，等轴α相出现显著的长大现象（图4f~g）。因此，板材最佳的热处理温度为740℃ ~800℃。

3.4 热加工工艺对室温拉伸力学性能的影响

图5 是板材热处理制度为780℃ ×1h，AC 时，不同热加工工艺的室温拉伸力学性能。从图5 可以看出，板坯的锻造工艺和板坯轧制工艺对TC20钛合金板材室温拉伸力学性能影响不明显，均能满足GB/T13810-2017 标准要求。

4、结论

（1）热加工工艺对TC20钛合金板材显微组织均匀性影响显著。采用镦拔板坯+ 纵横向变形比趋于一致的交叉轧制工艺，热处理制度为（740℃～ 800℃）/1h，空冷的工艺组合时可以获得由等轴初生α相和β转变相组成的均匀显微组织，组织评级可以满足ETTC2 标准中要求的A3 ～ A6级。

（2）热加工工艺对TC20钛合金板材室温拉伸力学性能影响不明显，均能满足GB/T13810-2017 标准要求。

参考文献：

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

[2] 李哲，李佐臣. 钛工业进展[J]，2004，21（9）：16.

[3] 牛中杰，曹继敏，杨冠军，王廷询.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.