固溶时效处理对TA10 钛合金组织与力学性能的影响

供稿|杨梦迪，张明玉，于成泉，岳旭，同晓乐，张亚峰 / YANG Mengdi, ZHANG Mingyu,YU Chengquan, YUE Xu, TONG Xiaole, ZHANG Yafeng

内容导读

选取TA10 钛合金棒材，对其固溶时效热处理，随后使用光学显微镜、扫描电子显微镜研究其组织与力学性能的关系，结果表明：合金经固溶处理后，金相组织由初生α 相和β 转变组织组成，其中β 转变组织由细小的次生α′相和残余β 组成，此时组织为典型的双态组织，经时效处理后，会形成细小的次生αs相，时效温度越高αs相越细小；合金经固溶处理后，其抗拉强度为510 MPa，屈服强度为395 MPa，延伸率为23%，时效处理，使其强度增大，塑性降低，随着时效温度升高，趋势相同；仅经固溶处理后，合金的拉伸断口形貌是以等轴状的韧窝为主，断口形貌主要由韧窝构成，当合金再经时效处理后，断口微观形貌中会出现二次裂纹，当时效温度继续增大，断口微观形貌中出现明显的撕裂棱。

钛及钛合金具有无磁性，良好耐腐蚀性和生物兼容性等众多优异特性，在汽车工业、海洋工程、生物医疗等领域均有广泛应用[1-2]。TA10 钛合金是一种常见的近α 型钛合金，该合金是替代高成本Ti-0.2Pd 合金而发明的，因为其具有优异的耐腐蚀性，较低的成本，该合金在石油与化工领域得到广泛应用[3-4]。

TA10 合金的应用领域不断增加，国内外学者对该合金做了大量的研究，苏娟华等[5]研究了TA10 钛合金的高温拉伸断裂极限，结果表明：应变速率和温度的改变对该合金断裂极限值影响较大，提升变形温度会提高合金的断裂极限值，而提高应变速率会降低合金的断裂极限值。许耀平等[6]进行了电子束冷床炉熔铸TA10 钛合金非对称流动及凝固过程数值模拟，结果表明：形成非对称熔池的必要条件为传热和流动，钛溶液流入结晶器的过程中，部分溶液会侵蚀凝固坯壳，而另一部分因为温度不同导致密度改变，进而使其重返液面。

虽然对TA10 合金的研究领域众多，但对该合金的组织与性能研究目前仍是主要研究方向，本文选取确定固溶温度，改变时效温度，分析固溶时效对合金组织与力学性能的关系，为该合金的进一步应用作出参考。

实验材料与方法

本实验选用的材料为TA10 钛合金，该合金的名义成分为Ti-0.3Mo-0.8Ni，通过ICP（电感耦合等离子体技术）测得实验用合金的化学成分为：w(Mo)=0.28%、w(Ni)=0.77%、w(O)=0.05%、w(Fe)=0.074%、Ti 余量。通过金相法测定实验用合金的相变点为890～895 ℃。随后选取860 ℃为固溶温度，对其进行固溶处理，随后选取520、540 和560 ℃3 组温度对其进行时效处理，具体制度如表1 所示（WQ 为水冷，AC 为空冷），将经固溶时效处理后的合金进行切割加工，制成金相试样与室温拉伸试样。

表1 TA10 钛合金固溶时效制度

合金的金相组织观察使用Axiomatic 光学显微镜，使用Instron 电子万能实验机进行拉伸实验测试，每组拉伸实验测试3 个试样，最后取其平均值，使用Ziss 电子扫描显微镜观察拉伸断口微观形貌。

实验结果与分析

金相组织

图1 为经固溶时效处理后的金相组织，由图1 可得，合金经860 ℃固溶处理后，金相组织由初生α 相和β 转变组织组成，其中β 转变组织由细小的次生α′相和残余β 相组成，此时组织为典型的双态组织，因为合金相变温度为890～895 ℃，当合金加热到860 ℃时，组织中α 相发生部分溶解，当进行水冷处理后，组织中发生β→α 相转变，导致组织中的α 相的由2 部分组织，一部分为组织原始存在的α 相，另一部分为新转变而来的α 相[7]。又因为水冷处理时的过冷度较大，组织形成过饱和固溶体，形成亚稳定β 相和次生α′相[8]。当合金经固溶处理再进行500 ℃时效处理后，组织中初生α 相含量与形貌变化较小，组织中亚稳定β 相分解，形成稳定的β 相以及次生αs相，此时组织中初生α 相含量与形貌变化较小，而时效形成的次生αs相体积较为细小且含量较少，随着时效温度升高到520 ℃，组织中析出的次生αs相更加细小，且含量明显增多，当时效温度达到540 ℃时，次生αs相含量继续增大，形貌更加细小均匀，但初生α 相含量几乎不变。

图1 经不同固溶时效处理后的试样金相组织：（a）1#；（b）2#；（c）3#；（d）4#

因为合金经固溶处理后会形成过饱和固溶体，在随后的时效的过程中过饱和固溶体会发生分解，其中主要的变化为亚稳定β 相发生分解为αs相和稳定β 相，而在固溶过程中形成的α′相会逐渐分解，最后转变成α 相，故经时效后的组织由αs相、α 相、稳定β 相构成[9-10]。

拉伸性能

图2 为经固溶时效处理后的拉伸性能，由图2可得，合金在只经固溶处理后，其抗拉强度（Rm）为510 MPa，屈服强度（Rp0.2）为395 MPa，延伸率（A）为23%。当再经时效处理后，其强度增大，塑性降低，随着时效温度升高，趋势不变，其中在时效温度为540 ℃时强度最大，其抗拉强度为548 MPa，屈服强度为432 MPa，而时效温度为500 ℃时塑性最大，延伸率为17%。

图2 经固溶时效处理后的力学性能

合金经时效处理后强度升高，这是因为时效过程是析出相强化的过程，合金经时效后，组织中会形成较固溶处理后更加细小的αs相，在合金进行拉伸时，位错在穿过细小的αs相时，产生的形变不能快速的分散，导致位错塞积产生，增加晶界位置的应力，增加合金强度。随着时效温度的增加，合金中的αs相含量不断增加，形貌更加细小均匀，在产生位错塞积的同时，会进一步增加滑移过程中的阻碍效果，导致合金强度进一步增加[11-12]。通过图2还以发现，合金的延伸率始终较好，这是因为时效的过程对组织中初生α 相的含量和形貌并无较大影响，此时因为初生α 相具有等轴形貌，等轴状的α 相在变形时，其具有较好的协调性，促进滑移的开始，导致合金具有较好的塑性[13]。

断口微观形貌

图3 为经固溶时效处理后的拉伸断口微观形貌，由图3 可得，经固溶时效处理后，合金的拉伸断口形貌均以等轴状的韧窝（位置A）为主。合金在拉伸时，因为应变速度较快，位错在运动过程中产生应力集，进而导致微孔开始成核，随着塑性变形不断进行，位错在运动过程中所受的排斥力减小，部分位错进入微孔内，再次激活位错源，因为拉伸过程中位错不断形成，而微孔中会不断有新形成的位错进入，使得微孔逐渐长大，随后微孔都汇聚于断口位置并且留下痕迹，最后形成大量韧窝[14]。

图3 经不同固溶时效处理后的试样拉伸断口微观形貌：（a）1#；（b）2#；（c）3#；（d）4#

当合金经时效处理后，断口微观形貌中会出现一定数量的二次裂纹（位置B），这是因为时效后组织中形成了大量的αs相，在拉伸时因为位错运动过程中会受到一定的阻塞，使位错发生偏移，二次裂纹的出现说明强度进一步增大。当时效温度继续增大，断口微观形貌中出现明显的撕裂棱，且断裂形貌有明显的起伏，这是组织中αs相进一步增多所致，宏观表现为合金强度进一步增大，与实际结果相一致。

结束语

（1）合金经固溶处理后，金相组织由初生α 相和β 转变组织组成，其中β 转变组织由细小的次生α′相和残余β 相组成，此时组织为典型的双态组织，经时效处理后，会形成细小的次生αs相，时效温度越高αs相越细小。

（2）合金经固溶处理后，其抗拉强度为510 MPa，屈服强度为395 MPa，延伸率为23%，当再经时效处理后，其强度增大，塑性降低，随着时效温度升高，强度继续增大，同时塑性继续降低。

（3）经固溶处理后，合金的拉伸断口形貌均是以等轴状的韧窝为主，当合金经时效处理后，断口微观形貌中会出现二次裂纹，当时效温度继续增大，断口微观形貌中出现明显的撕裂棱。