发布日期：2026-4-8 16:37:04
钛及钛合金因其独特的综合性能而备受关 注，该材料不仅具有无磁特性，还展现出优异的生 物相容性、卓越的耐腐蚀性能以及出色的低温耐 受性［1-2］。这些特性使其在多个重要领域获得广 泛应用，包括军工装备、医疗器械、海洋工程以及 化学工业等［3-4］。TC11钛合金作为一种典型两相 型钛合金，该合金通过添加 Al、Mo、Zr 等合金元 素，显著提升了合金的力学性能［5］。TC11钛合金 具有优异的力学性能，因此在航空设备、舰船制造 等领域中获得了大规模应用［6］。
由于TC11钛合金中包含多种合金元素，故热处理是强化该合金的主要手段之一。马雪芳等［7］研究了退火温度对TC11钛合金组织与拉伸性能的影响; 王晓亮等［8］研究了不同退火组织对TC11钛合金动态冲击性能的影响; 张明玉等［9］研究了固溶时效处理对TC11钛合金组织与冲击性能的影响。目前，关于TC11钛合金热处理的研究已较为丰富，但针对其冷却方式的影响却鲜有报道。且现有研究主要集中在热处理温度对合金组织演变、物相构成及力学性能的影响，而关于热处理参数( 如冷却速率等) 对TC11钛合金织构的调控机制尚未得到系统探索。为此，本文以 TC11 钛合金为研究对象，通过对其开展不同冷却方式热处理，系统研究冷却工艺对合金显微组织、织构及拉伸性能的影响规律。该研究不仅可为TC11钛合金热处理工艺的优化提供理论依据和数据支撑，还能填补冷却方式对钛合金织构影响研究的空白，对提升航空航天等领域关键部件的性能一致性及可靠性具有重要的工程应用价值。
1、试验材料与方法
本试验采用的材料为 TC11 钛合金热轧板材，其厚度为 50 mm。首先以高纯海绵钛为基体，添加中间合金作为合金化元素，采用真空自耗电弧熔炼进行熔炼得到铸锭，随后通过多道次热锻工艺将铸锭加工成板坯，最后经多火次轧制加工，制成厚度为 50 mm 板材。经电感耦合等离子体原子发射光谱 (ICP-AES) 测定，合金的化学成分 (质量分数) 为：6.61% Al、3.11% Mo、1.32% Zr、0.14% Fe、0.31% Si、0.12% O、Ti 余量。采用差示扫描量热法 (DSC) 结合金相观察法测定合金的相变温度，结果显示 TC11 钛合金的相变点温度为 983℃。
基于测定的相变点，选择在两相区温度 950℃下进行 2 h 的加热处理。热处理在 KSL-1700X 型箱式电阻炉中进行，炉温控制精度为 ±2℃，升温速度为 10℃/min。热处理完成后，分别采用水淬 (Water Quenching，WQ)、空冷 (Air Cooling，AC) 以及炉冷 (Furnace Cooling，FC) 三种不同的冷却方式对试样进行冷却。热处理完成后，试样经机械抛光后用 Kroll 试剂 (3% HF + 6% HNO₃+91% H₂O) 进行腐蚀，随后分别采用 Axiocam 506 型光学显微镜 (OM) 以及 Thermo Scientific Apreo 2 型扫描电子显微镜 (SEM) 对处理后的试样进行显微组织观察，并采用扫描电子显微镜自带的镜头对试样进行 EBSD 测试。试样采用电解抛光，抛光液配比体积分数为：6% 的高氯酸 + 35% 的正丁醇 + 59% 的甲醇混合溶液。抛光过程中，抛光液温度控制在 - 25℃左右、工作电压为 20 V、电流密度为 0.3 A/cm²、电解时间为 40 s、扫描步长为 1 μm。力学性能测试方面，使用 MHVD-30AP 型数显硬度计进行维氏硬度测试，载荷 5 kg (HV5)，每个试样取 5 个不同位置测量取平均值；在 CMT5205 型电子万能试验机上进行室温拉伸试验，拉伸速率为 1 mm/min，按照 GB/T 228.1-2021《金属材料 拉伸试验 第 1 部分：室温试验方法》加工拉伸试样。
2、试验结果与分析
2.1 微观组织
图 1 展示了 TC11 钛合金经不同冷却方式处理后的显微组织演变特征。通过对比分析发现，冷却速率的差异显著影响了合金的微观组织形貌。在水淬条件下，由于极高的冷却速率，合金组织除初生 α 相外 (位置 A)，同时出现大量细针状的六方马氏体 α' 相 (位置 B)，形成典型的双态组织，该组织转变源于快速冷却过程中 β 相的非扩散型相变，导致过饱和固溶体的形成。空冷处理后的组织呈现过渡性特征，由于中等冷却速率，相变机制转变为扩散型为主导。组织中除了初生 α 相外，次生 α 相 (位置 C) 以条状形貌析出，其与残余 β 相共同构成 β 转变组织。进一步观察发现，次生 α 相的形核与长大过程受冷却速率控制，其尺寸明显大于水淬条件下形成的马氏体 α' 相。炉冷处理展现出完全扩散控制的组织演变特征。极低的冷却速率为相变提供了充分的热力学条件，相比于水淬和空冷，组织中初生 α 相出现显著粗化，而次生 α 相 (位置 D) 以细棒状形貌在初生 α 相晶界处优先析出，最终形成典型的等轴组织。
综上所述，不同冷却制度下的组织差异直接反映了 TC11 钛合金相变动力学的速率依赖性。快速冷却抑制扩散过程，促进非平衡相变；而缓慢冷却则有利于热力学平衡组织的形成。
2.2 极图
图 2 展示了 TC11 钛合金经不同冷却方式处理后的极图特征。发现经不同冷却方式处理后，合金 {0001} 晶面均呈现混合织构特性。进一步观察发现，合金经水淬处理后的织构强度最大，经空冷处理次之，经炉冷处理后的织构强度最低，分别为 7.48、6.94、5.30。
合金在热处理过程中，钛合金中的晶粒会经历生长和转动。高温下，晶粒有趋于能量更低、更稳定状态的倾向，这导致晶粒的转动和重排，这种转动和重排使得不同晶粒具有不同的取向，从而形成了混合织构。此外，合金在热处理过程中会发生相变，即不同相之间的转变。相变可能导致原有晶体结构的改变和新相的形成，不同相具有不同的晶体取向，进而形成混合织构。
水淬是一种快速冷却的过程，使得合金在热处理后的冷却阶段形成的晶体结构和取向得到迅速固定。由于冷却速度快，合金中的晶粒没有足够的时间进行充分的调整和转动，因此保留了较高的织构强度。空冷是一种较慢的冷却过程，相对于水冷而言，合金在冷却过程中有更多的时间进行晶粒的调整和转动。因此，虽然会形成一定的结构强度，但相对于水冷处理而言，织构强度会有所降低。而炉冷是一种最慢的冷却过程。在炉冷过程中，合金有足够的时间进行晶粒的热平衡调整，晶粒能够更自由地转动和重排。这使得合金内部的组织结构更趋向于均匀化，织构强度得以显著降低。
综上所述，合金经不同冷却方式处理后织构强度的差异是由于冷却速度导致的晶粒调整和转动程度不同所造成的。淬火处理由于快速冷却，使得晶粒来不及充分调整和转动，从而保留了较高的织构强度；而炉冷处理由于冷却速度最慢，使得晶粒有足够的时间进行热平衡调整，从而降低了织构强度。
2.3 维氏硬度
图 3 展示了不同冷却方式对 TC11 钛合金显微硬度的影响规律。试验数据显示，冷却速率与硬度值呈现明显的正相关性，水淬试样获得最高硬度值 (450HV5)，空冷和炉冷试样的硬度分别为 438HV5 和 395HV5。
由图 1 可知，在快速冷却 (水冷和空冷) 条件下，初生 α 相含量基本保持一致；而在缓慢冷却 (炉冷) 过程中，初生 α 相发生显著粗化。水冷试样中高密度六方马氏体 α' 相的存在是硬度较高的主要因素，α' 相具有典型的非平衡亚结构，其内部存在大量位错缠结，这些缺陷结构显著阻碍位错运动，导致合金硬度较高。空冷试样中析出大量次生 α 相，虽然同样具有 hcp 结构，但其位错密度较 α' 相更低，导致硬度相对降低。炉冷试样尽管初生 α 相含量最高，但其粗大的等轴组织和低缺陷密度使其硬度表现最低。
2.4 拉伸性能
图 4 展示了 TC11 钛合金在不同冷却工艺下的拉伸性能测试结果以及相对应的应力 - 应变曲线。从力学性能数据可以看出，冷却速率对合金的强度指标具有显著影响。其中，水淬试样的抗拉强度 (Rₘ) 达到 1350 MPa，屈服强度 (Rₚ₀.₂) 为 1145 MPa，均为三种工艺中的最高值；空冷试样次之，抗拉强度和屈服强度分别为 1300 MPa 和 1115 MPa；炉冷试样表现出最低的强度值，抗拉强度和屈服强度分别为 1190 MPa 和 995 MPa。合金材料的塑性指标与强度变化呈现明显的负相关关系。断后伸长率 (A) 测试结果显示：水淬试样的断后伸长率为 9%，空冷试样提升至 11%，而炉冷试样则达到最高的 20%。
水淬态合金的高强度特性主要源于两个方面的强化机制。首先，快速冷却形成的 α' 马氏体相具有典型的亚微米级片层结构，这种超细组织特征使得位错滑移距离显著缩短。在塑性变形过程中，位错在相界处发生大量塞积，形成强烈的应力集中效应。其次，马氏体相变过程中产生的相变诱发位错与变形位错产生交互作用，进一步阻碍位错运动，这两种机制的协同作用使水淬试样表现出最高的强度。
空冷态合金的强化机制则主要表现为细晶强化和界面强化。组织中均匀分布的次生 α 相在组织中形成高密度的相界面，其不仅作为有效的位错阻碍源，还能通过界面应力场影响位错运动路径，起到界面阻碍效应。
炉冷态合金表现出最优的塑性性能，其与独特的变形机制密切相关。粗大的初生 α 相提供了充足的独立滑移系激活机会，多滑移系的协同作用使得变形能均匀分散，有效避免了局部应力集中。此外，等轴组织中较长的平均自由程降低了位错交互作用的概率，从而延缓了加工硬化过程，导致强度较低。
2.5 拉伸断口形貌
图 5 展示了 TC11 钛合金在不同冷却方式下的拉伸断口形貌。发现三种不同冷却方式的拉伸断口表面均呈现韧窝特征 (位置 E)。在拉伸变形过程中，位错运动容易形成局部应力集中，从而诱发微孔形核。随着塑性变形的持续进行，位错运动所受到的晶格阻力逐渐降低，部分位错会被微孔吸收，这种机制会重新激活位错源。在此过程中，新生成的位错持续向微孔聚集，促使微孔不断长大。当大量微孔在断裂表面聚集并相互连通时，就会在最终断裂位置形成典型的韧窝形貌。进一步观察发现，不同冷却方式处理的试样断口除韧窝外，还普遍存在二次裂纹 (位置 F)。这是由于裂纹扩展过程中的微观组织相互作用，当扩展裂纹遇到马氏体 α' 相及次生 α 相时，部分裂纹路径会发生偏转，倾向于沿 α 相与 β 相之间的晶界继续扩展，从而在相界面处形成二次裂纹。
3、结论
(1) 冷却速率显著影响合金的微观形貌，水淬时形成细针状 α' 马氏体 (非扩散相变)，空冷时析出板条状次生 α 相 (扩散主导)，而炉冷则导致初生 α 相粗化并形成细棒状次生 α 相 (完全扩散控制)。
(2) 经不同冷却方式处理后，合金 {0001} 晶面均呈现混合织构特性，合金经水淬处理后的织构强度最大，经空冷处理次之，经炉冷处理后的织构强度最低，分别为 7.48、6.94、5.30。
(3) 冷却速率与硬度值呈现明显的正相关性，水淬试样获得最高硬度值 450HV5，空冷和炉冷试样的硬度分别为 438HV5 和 395HV5。
(4) 经水淬后的试样强度最高，但塑性最差，空冷次之，而炉冷试样强度最低，但塑性最优，表明合金的强度与塑性呈负相关关系。发现不同冷却方式处理后的拉伸断口均呈现韧窝形貌，且拉伸断口中均存在二次裂纹。
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（注，原文标题：冷却方式对TC11钛合金组织、织构以及力学性能的影响_杨斌）