炉冷温度对TA10钛合金棒微观组织与拉伸性能的影响

钛及钛合金具有比强度高、生物兼容性好、无磁性以及密度小等众多优异性能，使得钛及钛合金在生物 工程、化工、海洋工程等多个领域均有十分广泛的应用［1，2］。TA10钛合金是一种常见的近α型钛合金， 该合金的名义成分是Ti-0.3Mo-0.8Ni，属于中等强度钛合金，其具有良好的耐腐蚀以及优异的焊接性能，在 化工领域被广泛应用［3，4］。TA10钛合金通常需要经过热处理工艺处理后进行使用，不同的热处理工艺以 及热处理参数均会改变合金组织结构，而组织结构的改变则会影响合金的力学性能。虽然目前对TA10钛合金 的热处理工艺研究较多，但大多数研究均是以固溶时效、退火工艺为主，而对其它的热处理工艺研究较少， 故本文设定不同温度对TA10钛合金进行加热处理，随后进行随炉冷却。

通过深入研究炉冷处理，可以填补TA10钛合金热处理工艺在这一研究中空白。此外，在实际工程生产中 ，相较于快速冷却方法，随炉冷却更加节能，因为其不需要额外的冷却设备或大量能量来进行快速降温，故 研究炉冷温度对TA10钛合金微观组织与拉伸性能的影响，即可对TA10钛合金的进一步应用提供理论支持，又 可为该合金在工程生产的热处理加工做出新的参考。

1、试验材料与方法

本文选择试验材料是直径为150mm的TA10钛合金棒材，棒材的具体化学成分（质量分数，％）为： Mo0.294，Ni0.77，O0.043，Fe0.066，Ti余量。测得TA10钛合金棒材的相转变点为890℃，根据相转变温 度，设定合金加热温度分别为840℃、860℃、880℃、900℃，其中分别包含了单相区温度与两相区温度。待 合金加热到设定温度后继续保温2hｈ，随后进行随炉冷却（使用FC表示）。

对经热处理后棒材进行微观组织观察与室温拉伸性能测试，其中合金的微观组织在型号为OlympusPMG3 的光学显微镜下观察并拍照，室温拉伸试验在型号为INSTRON的电子拉伸试验机测试，拉伸式样的断 口微观形貌观察使用型号为JSM-6390的扫描电子显微镜进行观察。

2、试验结果与分析

2.1　微观组织形貌

图1为TA10钛合金经不同炉冷温度处理后的微观组织。由图可知，当炉冷温度为840℃时，此时组织由大 量的初生α相（位置Ａ）与β转变组织（位置Ｂ）构成，β转变组织中包含大量形貌十分细小的次生α相， 大量初生α相相连在一起形成块状组织。当炉冷温度升高至860℃时，组织中初生α相形貌开始逐渐等轴化 ，β转变组织含量减小，次生α相明显长大，由细小针状形貌转变为棒状形貌。进一步提高炉冷温度至880 ℃，发现此时组织中初生α相形貌均以等轴状为主，并由大量细小棒材的次生α相在基体上均匀分布。当炉 冷温

度升高至900℃后，由于此时温度已经达到单相区温度，故此时组织中的初生α相完全消失，组织中出 现晶界α（位置Ｃ），并有粗大β晶粒出现，在β晶粒内部出现大量的α集束，α集束呈现细小条状，平行 或者交叉分布在β晶粒中。

合金在加热过程中，组织中发生α→β相转变，加热温度越高，其转变越充分。当温度升至单相区后， 组织中α相完全转变为β相［5］。当加热温度为两相区时，组织中部分α相转变为β相，另外一部分不变 ，在冷却过程中发生β→α相转变，故此时组织中α相由两部分组成。又因为炉冷的冷却速率十分缓慢，较 慢的冷却时间会使组织中新形成的α相充分长大，其会与原始存在的初生α相融为一体［6］，故导致图1（ ａ）组织中的初生α相为大块状。当加热温度升高后，组织中原始初生α相含量降低，析出的次生α相增加 ，较高的温度以及较慢的冷却速率使得次生α相长大，形成图1（ｃ）中的棒材形貌。当加热温度为单相区 时，组织中α相完全转变为β相，随后的随炉冷却过程中，组织中均是析出的次生α相，在炉冷过程中逐渐 长大，最终形成图1（ｄ）中的α集束形貌。由此可知，随着炉冷温度的不断升高，合金的组织类型由等轴 组织（图1（ａ）（ｂ））转变为双态组织（图1（ｃ）），当加热温度达到单相区后，组织转变粗片层β转 变组织（图1（ｄ））。

2.2　拉伸性能

图2为TA10钛合金经不同炉冷温度处理后的室温拉伸性能。由图可知，随着炉冷温度的不断升高，合金 强度随之升高，而合金的塑性随着炉冷温度的升高而降低。其中，合金的抗拉强度Rm由452MPa升高至511MPa ，屈服强度Rp0.2由348MPa升高至401MPa，合金的断后伸长率Ａ％由3７％降低至13％。

由图1可知，炉冷温度的改变会影响合金的微观组织形貌，而不同的组织形貌又会对合金拉伸性能起到 不同的作用。相关文献指出［7］，微观组织中初生α相含量会影响合金的力学性能，初生α相含量越多， 则合金的塑性性能越优异，这是由于初生α相的晶体取向为无序分布，试样在进行拉伸过程中能够激活组织 中较多的滑移系，使得微观组织的协调性能增加，即塑性更加优异，故炉冷温度在升高过程中，初生α相含 量逐渐减少的同时，合金塑性降低。

而组织中次生α相的含量与形貌是影响合金强度的主要因素［8］，这是由于次生α相的形貌十分细小 ，当试样在进行拉伸变形时，次生α相阻碍组织中的位错滑移，导致产生位错塞积现象，需要施加更大的外 应力才能够使得滑移继续进行，故导致合金的强度增加。虽然图1（ｃ）中的次生α相形貌较图1（ａ）中更 大，这会导致产生的强化效果降低，但因为图1（ｃ）中次生α相含量更多，且初生α相含量更少，在二者 综合作用下，使得其强度更大。结合图1与图2可知，等轴组织强度最小但塑性最佳，粗片层β转变组织的强 度最大塑性较差，双态组织具有较为优异的综合力学性能。

2.3　拉伸断口微观形貌

图3为TA10钛合金经不同炉冷温度处理后的室温拉伸断口微观形貌。由图可知，当炉冷温度为840℃与 860℃时（图3（ａ）（ｂ）），此时的断口微观形貌均是以大量的韧窝（位置Ｄ）组成，韧窝以等轴状为主 ，且尺寸较大的韧窝中还包含一定数量的小韧窝。随着炉冷温度升高至880℃时（图3（ｃ）），发现此时组 织中的韧窝数量有所减少，且出现了大量的细小微裂纹。当炉冷温度升高至900℃时（图3（ｄ）），此时温 度已经达到单相区温度，断口微观形貌不再以韧窝形貌为主，而是以岩石状为主，且在岩石状形貌表面分布 着大量的细小韧窝，韧窝的尺寸减小且深度较浅，并发现微裂纹（位置Ｅ）数量增加，且有十分明显的撕裂 棱（位置Ｆ）出现。

韧窝是体现合金塑性性能的主要因素之一［9］，当韧窝数量较多且尺寸较大时，合金塑性性能优异， 而当韧窝数量较小且尺寸减少时，合金塑性性能降低，该现象与图2中的力学性能趋势相一致。而岩石状形 貌是因为组织中出现粗大β晶粒所致，合金在发生断裂的过程中，裂纹会沿着β晶粒的晶界发生断裂，最终 形成岩石状形貌，而微裂纹是由于组织中析出大量次生α相，裂纹扩展在过程中与次生α相相遇时，裂纹扩 展路径除了向前扩展外，还会向垂直裂纹扩展方向进行延伸，导致微裂纹出现，故撕裂棱与微裂纹的出现均 意味

着合金强度升高。

3、结论

（1）炉冷温度会影响组织中初生α相与次生α相的含量，随着炉冷温度的不断升高，初生α相含量降 低，而次生α相含量升高，同时合金的组织类型由等轴组织转变为双态组织，最后转变粗片层β转变组织。

（2）随着炉冷温度的不断升高，合金强度随之升高，而合金的塑性随着炉冷温度的升高而降低。其中 ，合金的抗拉强度R_m由452MPa升高至511MPa，屈服强度R_p0.2由348MPa升高至401MPa，合金的断后伸长率Ａ％由37％降低至13％。

（3）炉冷温度为两相区时，拉伸断口微观形貌由大量的等轴状韧窝组成，炉冷温度为单相区时，断口 形貌以岩石状为主，在炉冷温度升高过程中，断口形貌中微裂纹数量增加，且有撕裂棱出现。

参考文献

［1］岳旭，陈威，李建康，等.TA1纯钛冷轧变形机理［Ｊ］.塑性工程学报，2023，30（5）：186- 194.

［2］刘包发，胡剑南，石俊杰，等.热处理对增材制造TC4钛合金组织结构及耐蚀性能的影响［Ｊ］.材 料热处理学报，2023，44（5）：86-94.

［3］徐梦喜，刘仁慈，黄海广，等.TA10钛合金热连轧板材显微组织及其性能［Ｊ］.特种铸造及有色 合金，2023，43（4）：543-549.

［4］王隽生，史亚鸣，张玉勤，等.短流程制备的TA1和TA10冷轧钛带组织与性能研究［Ｊ］.钛工业进 展，2022，39（6）：13-17.

［5］同晓乐，张明玉，岳旭，等.固溶处理对TC11钛合金组织与性能的影响［Ｊ］.金属热处理，2023 ，48（2）：195-200.

［6］张明玉，运新兵，伏洪旺.热处理冷却方式对TC10钛合金组织与性能的影响［Ｊ］.金属热处理， 2022，4７（8）：98-105.

［７］朱宁远，陈世豪，廖强，等.固溶时效处理对TC11钛合金显微组织和硬度的影响［Ｊ］.金属热处 理，2022，47（12）：62-66.

［8］高学敏，王晗，王可迪，等.固溶时效处理对Ti-6Al-4VELI钛合金准静态和动态力学性能的影响［ Ｊ］.金属热处理，2022，47（11）：8７-91.

［9］韩颢源，杨涛，邱娟，等.固溶处理对TC4合金组织和硬度的影响［Ｊ］.金属热处理，2022，4７ （6）：93-98.