发布日期：2025-9-29 10:16:33
引言
钛及钛合金因其独特性能，在诸多工程技术领域中占据重要地位。随着科技的发展，其应用领域还将继续拓展 [1-2]。例如，钛合金的轻量化特性对航空航天工业至关重要，用于制造飞机结构件、发动机部件等，以提升飞行性能和燃油效率；在核能和清洁能源领域，钛合金的耐高温和耐腐蚀性使其在热交换器和燃料电池等的制造方面具有应用价值；在建筑设计中，钛合金可用于制作轻质且高强度的结构器件，如高层建筑的支撑结构件 [3-4]。
目前，尽管已有大量科研人员对 TC6 钛合金热处理工艺进行了相关研究，但研究方向主要集中于退火工艺和固溶时效 2 种热处理工艺 [5-7]。虽然这 2 种工艺对改善钛合金的性能具有显著效果，但在实际应用中，需发掘更多的热处理工艺，以满足更多场景的使用需求。因此，对 TC6 钛合金开展更全面的热处理工艺研究非常必要。
本文将 TC6 钛合金分别加热至两相区和单相区温度，保温后进行炉冷处理，旨在研究加热温度对炉冷后 TC6 钛合金显微组织和拉伸性能的影响，以便更全面地了解 TC6 合金的性能特点，为其工业应用拓展提供依据。
1、试验材料与方法
试验材料为 Φ110 mm 的 TC6 钛合金试棒，化学成分 (质量分数) 为 6.16% Al、2.54% Mo、1.58% Cr、1.20% Fe、0.16% Si、0.10% O，采用金相法测定该合金的相变温度为 993 ℃。将试棒分别加热至 940、960、980 ℃(两相区温度) 及 1000 ℃(单相区温度)，保温 2 h 后进行炉冷处理。
加热和炉冷处理后，采用 OptoLED 光学显微镜和 Phenom Pharos G2 台式场发射扫描电子显微镜进行金相检验，利用 GNT-100 万能拉伸试验机进行拉伸试验，检测试棒的纵向微观组织和拉伸性能。
2、试验结果与分析
2.1 微观组织
TC6 合金加热至不同温度保温后炉冷的显微组织如图 1 所示。经 940 ℃炉冷时，合金组织具有典型的等轴组织形貌如图 1 (a) 所示，组织中包含初生 α 相与次生 α 相，其中初生 α 相以等轴形貌为主，并伴有片状形貌，次生 α 相则以片状形貌为主。经 960 ℃炉冷的合金为双态组织如图 1 (b) 所示，此时的组织形貌发生变化，次生 α 相含量增加，初生 α 相含量减少。经 980 ℃炉冷的合金同样为双态组织如图 1 (c) 所示，相较于 960 ℃炉冷的组织，其初生 α 相含量进一步降低，而次生 α 相不仅含量增加，尺寸也有所增大。经 1000 ℃(单相区温度) 炉冷合金的显微组织如图 1 (d) 所示，其中存在大量 α 相和粗大 β 相，初生 α 相消失。
由于钛合金存在相变点，在加热过程中组织会发生相变，即 α 相转变为 β 相。加热温度越高，相变越充分，α 相转变为 β 相的比例越高，组织中 α 相含量随之减少。当合金在单相区温度加热时，组织中的 α 相完全转变为 β 相 [8]。在加热结束后，随着合金的冷却，β 相再次发生转变，生成次生 α 相。这是因为在冷却过程中，原子活动能力减弱，β 相的原子结构重新排列组合，形成稳定的 α 相。此外，加热温度和炉冷时间对次生 α 相的形成和生长具有显著影响，较高的加热温度和较长的炉冷时间有助于次生 α 相长大。尤其是在加热温度达到单相区时，冷却过程中形成的次生 α 相尺寸较粗大，晶界处也会形成 α 相，最终形成束状 α 相 [9]。
2.2 织构分析
TC6 合金加热至不同温度保温后的炉冷反极图如图 2 所示。由图 2 可知，经两相区温度炉冷的合金组织中存在平行于 <10-10> 方向的织构如图 2 (a)~ 图 2 (c) 所示，且随着加热温度的升高，织构密度逐渐增大。经单相区温度炉冷的合金组织中也存在明显的织构，其与 < 11-20 > 方向平行，如图 2 (d) 所示。
加热温度较低的 TC6 合金晶体通常为随机取向，因此织构强度较低；加热温度较高的合金晶体结构发生改变，晶体取向也随之变化，织构强度提高。在单相区温度加热的合金晶粒长大速度加快，晶体结构无序化程度增大，从而形成新的织构 [4]。
2.3 拉伸性能
TC6 钛合金经不同温度炉冷后的拉伸性能如图 3 所示，可见合金强度随着炉冷却温度的升高而提高，塑性则逐渐降低，强度与塑性呈现相反的变化趋势。经 940 ℃炉冷时，合金塑性最好，断后伸长率 A 为26%，断面收缩率 Z 为4%；经 1000 ℃炉冷时，TC6 钛合金强度最高，抗拉强度Rm为1190MPa，屈服强度Rp0.2为 1050MPa。
当炉冷却温度较低时，合金微观组织中初生 α 相含量较高。在拉伸过程中，初生 α 相能够激活更多的滑移系，且有助于分散应力，从而提升合金的整体协调性，使合金表现出良好的塑性性能 [10]。当随炉冷却温度升高时，合金微观组织中初生 α 相含量逐渐减少，次生 α 相含量则逐渐增加。初生 α 相含量的减少会导致合金协调性下降，进而降低合金塑性；当初生 α 相完全消失时，组织的协调性会大幅降低，塑性明显下降。次生 α 相在拉伸过程中会阻碍组织中的滑移，导致位错在组织中堆积，需施加更大的外应力才能使位错滑移，使得合金强度得以提升 [11]。由图 2、图 3 可知，随着炉冷温度的升高，合金组织中的织构发生明显变化；随炉冷却温度处于两相区时，平行于 < 10-10 > 方向的织构会使合金呈现低强度、高塑性的特点，且随着织构密度的增加，该趋势愈发明显；随炉冷却温度处于单相区时，组织中织构平行于 < 11-20 > 方向，此时合金强度较高，但塑性较低。
3、结论
(1) 随着炉冷温度的升高，TC6 钛合金中初生 α 相含量不断减少直至消失，次生 α 相含量增加且尺寸增大，最终形成大量 α 集束，并出现晶界 α 相。
(2) 经两相区温度炉冷的 TC6 合金组织中，存在平行于 < 10-10 > 方向的织构；经单相区温度炉冷的合金组织中，织构平行于 < 11-20 > 方向。
(3) 随着炉冷温度的升高，TC6 钛合金的强度提高、塑性降低，强度与塑性呈现相反的变化趋势。
参考文献
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（注，原文标题：从不同温度炉冷的TC6钛合金的显微组织和拉伸性能）
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