发布日期：2026-2-5 22:58:36
引言
TC4钛合金作为目前应用最广泛的α+β双相钛合金，具备强度高、密度小和耐腐蚀性好等优点 [1]。热处理是调控TC4合金内部微观结构的重要工艺手段之一，设计不同的热处理工艺，通过调控微观组织可以使其获得更优性能 [2−13]。同时，固溶处理是调控钛合金微观组织，尤其是初生α相(a)和β基体状态的关键预处理工艺，其核心目的在于通过高温溶解和快速冷却，形成一种过饱和亚稳β固溶体，为后续时效过程中次生α相(a)的析出奠定组织基础。通过对新型TC4钛合金进行固溶处理和时效处理，研究其在热处理过程中的组织演变规律，可以为TC4合金热处理工艺的制定提供指导 [14-15]。
本文以锻态TC4钛合金为研究对象。首先，将试样进行固溶处理，并采用不同的冷却方式(空冷、炉冷和水冷)进行冷却。然后，通过组织标准和不同冷却方式下TC4合金的性能对比，研究固溶冷却方式对合金组织及性能的影响，并确定最佳冷却方式。接着，将其进行不同温度下的时效处理，研究不同时效温度对合金组织及其性能的影响规律。最后，确定TC4合金最佳的固溶和时效工艺制度。
1、实验材料与方法
1.1实验材料
本文实验材料为锻态TC4钛合金，其化学成分及质量分数如表1所示。采用真空自耗电弧熔法制备TC4铸锭。对铸锭进行扒皮、去冒口后，在β单相区进行开坯锻造，并最终在接近β转变温度的a+β两相区完成锻造。通过金相法测得该合金的 β转变温度约为 980 ∘C。
表1 TC4钛合金成分
Tab.1 Composition of TC4 titanium alloy%
| ωC | ωH | ωO | wN | wv | ωSi | ωFe | w | ωSi |
| 0.080 | 0.015 | 0.200 | 0.050 | 3.420 | 0.290 | 0.280 | 6.550 | 89.115 |
1.2实验方法
1.2.1实验过程
利用线切割机将TC4钛合金板切割成若干试样，对这些试样进行显微组织观察和力学实验测试,将全部试样进行固溶处理，随后在管式炉中加热至920℃，并且保持此温度40min，随后分别用空冷、炉冷和水冷三种冷却方式对试样进行冷却。将试样进行电解抛制样，用扫描电镜对其进行组织观察。用砂纸对初始和冷却后的试样进行打磨，去除表面的氧化皮，然后进行拉伸至断裂。根据以上处理结果分析不同冷却方式对TC4钛合金的显微组织和力学性能的影响。在500℃、550℃和600℃温度下对水冷固溶的试样进行时效处理，空冷，然后进行拉伸实验，利用SEM对断裂后的试样进行观察，分析出TC4钛合金的显微组织和力学性能的影响。
1.2.2固溶处理方案
将切割出来的试样放入SG-GL1200管式炉中，加热到920℃，然后保温40min，再对其用空冷、炉冷、水冷三种不同的冷却方式进行冷却。固溶处理工艺流程如图1所示。
1.2.3时效处理方案
将切割出来的试样放入管式炉内，并加热至920℃，随后保温40min并水冷却。然后再将其分别加热到500℃、550℃和600℃，保温3h，进行时效处理。时效处理工艺图如图2所示。
1.2.4显微组织观察方案
首先使用80#、400#、800#、1500#、3000#的SiC砂纸对试样依次进行研磨至表面光亮，然后使用Struers LectroPol-5电解抛光机对研磨后的试样进行电解抛光。电解液是乙醇和高氯酸的混合溶液，体积分数分别为90%和10%。电解抛光机的参数:抛光时间为30s，电压为25V，实验温度为-5℃左右。制备好试样后，采用金相显微镜和扫描电子显微镜对其进行显微组织观察。金相显微镜型号为DM18/MC190HD，扫描电子显微镜型号为JSM-IT800。
1.2.5力学性能实验
实验采用SHIMADZU拉伸试验机。由TC4钛合金板上切割的拉伸试样及其尺寸如图3所示。首先对拉伸试样进行不同冷却方式的固溶处理，再使用400#砂纸将未处理的初始试样和固溶处理好的试样进行研磨,然后在室温条件下进行拉伸试验,应变速率为0.001s-1。将固溶处理后的拉伸试样进行500℃(3h)、550℃(3h)、600℃(3h)的时效处理，空冷后对其表面进行研磨。在室温下进行三组拉伸试验，应变速率为0.001s-1。
2、结果与讨论
2.1固溶冷却方式对合金显微组织的影响
图4为初始状态未经处理的TC4钛合金的显微组织图及其放大图。可以看出，初始状态的TC4钛合金由两种相(α相和β相)组成。颜色较深且呈现为片层状的相为α相，在晶粒中纵横交错排列形成网篮组织;颜色较浅，呈白色的为残余β相。
对TC4钛合金试样进行固溶处理，水冷、空冷和炉冷后的显微组织及其局部放大图如图5所示。图5(a)中等轴状的初生α相(αp )和针状的次生α相(a)均匀分布在β基体中。在水冷过程中组织为稳定相,形态和大小基本不发生变化;由于水冷的冷却速度极快，抑制了β相中合金元素的扩散，αs通过无扩散的切变机制由β相转变为过饱和的六方马氏体，组织为等轴αp+针状αs 。空冷后的组织与水冷类似，αp 都均匀分散在 β基体中，如图5(b)所示。由于冷却速度较慢可以为β相的分解提供有限的时间和驱动力，片层α首先在晶界处析出，然后在β晶粒内部以特定的晶体学位向关系成核并长大，形成如图5(b)中下图所示的集束状或片层状，组织为等轴αp 十片层α，即典型的“双态组织”。炉冷后的组织与前两者明显不同，如图5(c)，只能观察到球化的αp和粗大的片层α。由于炉冷的速度非常慢， β相有充分的时间进行扩散型相变,形成粗大、清晰可见的片层 α,这些片层 α与残余的 β相交替排列,形成类似“篮网”状的结构;同时慢冷也使得αp 的比例更高，αp 在缓慢冷却过程中，会发生轻微的长大或球化，组织为等轴αp +粗大片层 α，更接近平衡状态 [16]。
2.2时效处理对合金显微组织的影响
将固溶处理(水冷)的TC4钛合金试样在500℃、550℃和600℃下进行3h的时效处理，得到的显微组织如图6所示。
αs 弥散地析出在 β基体 [17]中，如图 6(a)所示，500℃时效后的a。非常细小，弥散度极高，随着时效温度的升高，原子扩散能力增强，析出的 αs 会进一步长大和粗化，且片层间距也会明显增大。αs的形核和长大存在竞争关系。低温下的时效处理有利于α相的形核，高温下的时效处理更有利于α相的生长。
在α相总体积分数一定的前提下，低温时效处理条件下新形成的次生α相尺寸较小，高温时效处理条件下的尺寸较大。片层a在不同温度时效处理后的形貌变化也与a类似，随着温度的升高，明显粗化且间距增大，在时效温度为600℃时最明显，如图6(c)所示。
2.3力学性能
图7为不同冷却方式固溶、920℃(40min)水冷和不同温度时效处理后的TC4的强度-延伸率曲线图。
结合表2可以看出，与初始状态对比，采用炉冷的固溶处理试样的延伸率最高，强度最低;水冷试样具有最高的强度，而空冷试样则表现出更优的强塑匹配。
表2不同条件下的TC4的力学性能
Tab.2 Mechanical properties of TC4 under different conditions
| 热处理工艺 | 屈服强度/MPa | 抗拉强度/MPa | 延伸率/% |
| 初始 | 845 | 870 | 12.0 |
| 空冷 | 823 | 838 | 17.9 |
| 水冷 | 840 | 855 | 17.0 |
| 炉冷 | 790 | 810 | 25.7 |
| 水冷+500℃(3h) | 980 | 1040 | 8.0 |
| 水冷+550℃(3h) | 970 | 1022 | 13.0 |
| 水冷+600℃(3h) | 890 | 920 | 16.0 |
由于炉冷时β相完全分解为粗大的片层a，这种粗大组织意味着a/β相界面急剧减少，对位错运动的阻碍作用大大减弱，因此强度较低;另一方面，在粗大的α相内部，位错可以自由滑移很长的距离，变形协调能力强，不易产生应力集中，使材料能够发生均匀、持续的塑性变形，从而表现出较高的延伸率和断面收缩率[18]。水冷产生的弥散针状αs则会产生巨大的相界面(相界面强化)，并引起严重的晶格畸变[19]，能有效地阻碍位错运动，可以大大提高强度[20];同时大量难易变形的αs和复杂的界面限制了位错的协调运动，容易产生应力集中，导致塑性降低。空冷后的组织为等轴α+片层αs，细小的片层a提供了大量的α/β相界面，能有效阻碍位错，提高强度(通常略低于水冷产生的a强化);相对于a良好的塑性能力，片层αs本身也具有一定的协调变形能力，这种等轴a(“软相”)+片层a(“硬相”)的复合结构实现了强度和塑性的最佳平衡。时效处理旨在使这些亚稳定的β转变组织进一步分解，析出弥散分布的次生α相，从而达到强化目的。500℃时效后由于其析出的a非常细小且弥散度高，通常塑性较差但可以获得很高的强度。随着温度的升高，550℃时效后的a明显粗化且尺寸增大;与500℃时效相比，片层a略微粗大，片层间距增大，两者共同作用通常会导致强度略有下降,但塑性会有所改善,有助于实现强度和塑性的良好配合[22]。在更高的时效温度下，片层a与a会进一步显著长大和粗化，形成粗大的片层和短棒状组织,导致合金的强度显著下降,但塑性会进一步提高[23]。综上，对不同条件下的TC4的显微组织分析所得结论与表2中的力学性能结果相符合;采用920℃(40min)+空冷的固溶处理方式得到的TC4合金的综合性能在三种冷却方式中最好;920℃(40min)水冷+550℃(3h)时效处理的综合性能最佳，抗拉强度达到1022MPa，延伸率达到13%，实现了强度和塑性的良好匹配。
3、结论
本文研究了固溶处理冷却方式和时效处理工艺对TC4合金显微组织和力学性能的影响，结论如下:
1)TC4合金经过920℃(40min)固溶处理空冷后的显微组织为等轴αp+片层α，综合力学性能最优;炉冷后的显微组织为等轴α+粗大片层α，炉冷工艺导致强度显著降低;水冷后的显微组织为等轴αp+针状αs,水冷工艺则导致塑性明显下降。
2)时效处理过程中，随着时效温度的升高针状αs和片层αs逐渐长大且间距增大。
3)TC4钛合金经920℃(40 min)水冷+550℃(3h)处理后的综合性能最优，抗拉强度达到1022MPa，延伸率达到13%。
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（注，原文标题：固溶时效处理对TC4钛合金显微组织及性能的影响_严晓琨）