1.2　實(shí)驗(yàn)過(guò)程與方法

按照GB/T 228—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)現(xiàn)有TC18鑄錠進(jìn)行電火花線(xiàn)切割，拉伸樣示意圖如圖1所示。

首先，打磨去除氧化層，用石英管對(duì)拉伸樣進(jìn)行 密 封 。 然 后 ， 對(duì)TC18合金進(jìn)行固溶處理(solution treatment，ST)，將封裝樣品放入箱式爐中，以10 ℃/min速率升到780 ℃，放入樣品，保溫1 h后取出。對(duì)ST樣品進(jìn)行單級(jí)時(shí)效(STA, solution treatment and aging)的工藝，參數(shù)如表2所示。

在美國(guó)Instron 3369力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上對(duì)TC18合金樣品進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，在相同條件下進(jìn)行5次拉伸試驗(yàn)，結(jié)果取取平均值。

測(cè)量斷裂前后截面積，由下式得到斷面收縮率：

式中：Z為斷面收縮率；A 0 為樣品原始截面積；A 1為斷后試樣截面積。

為觀(guān)察TC18合金的顯微組織，對(duì)樣品表面進(jìn)行打磨并拋光。采用 MeF3A 金相顯微鏡(optical microscope, OM)和FEInano-230掃描電鏡(scanning electron microscope, SEM)對(duì)試樣微觀(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。采用Nano Measurer軟件測(cè)定樣品OM、SEM圖片中α相的形貌參數(shù)。為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，在掃描或金相圖片中取20組α片層或晶界α相的寬

度，取平均值。采用 FEI Tecnai F20 透射電鏡(transmission electron microscope, TEM)觀(guān)察 TC18合金顯微組織結(jié)構(gòu)。采用Rigaku-3014型XRD衍射儀檢測(cè)物相結(jié)構(gòu)。

2、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　時(shí)效冷卻方式對(duì)合金拉伸性能的影響

TC18合金ST、STA4和STA5試樣的室溫拉伸應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)圖 2，TC18合金 ST、STA4 和STA5試樣的屈服強(qiáng)度 σ 0.2 、抗拉強(qiáng)度 σ b 、斷面收縮率Z以及延伸率 δ 見(jiàn)表3。由表3可知：時(shí)效處理后樣品的屈服強(qiáng)度大幅度提升；水冷的STA4樣品屈服強(qiáng)度為1 112.16 MPa，比固溶態(tài)的STA4樣品屈服強(qiáng)度提高約17%；空冷的STA5試樣屈服強(qiáng)度為1 176.07 MPa，比固溶態(tài)提升約24%；空冷條件下樣品的屈服強(qiáng)度比水冷條件下的高約64 MPa；在塑性方面，相比于固溶態(tài)，單級(jí)時(shí)效空冷條件下小幅度降低，但水冷條件下延伸率從8.34%降至1.27%，塑性大幅度降低。

TC18合金 ST、STA4 和 STA5 的金相圖分別見(jiàn)圖 3(a)、圖 3(b)和圖 3(c)，對(duì)應(yīng)的 XRD 圖見(jiàn)圖3(d)。從圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)可知晶界α相長(zhǎng)度為毫米級(jí)，腐蝕后可見(jiàn)清晰的晶界，晶界交匯處多為Y型；圖3(b)和圖3(c)中存在魏氏體組織處的晶界呈曲折狀。由圖3(d)可知：STA5樣品主要由 α和β相組成，主衍射峰為(101)α；STA4樣品主要由α、β相組成，主衍射峰為(201)α，存在(200)β、(110)β衍射峰；相較于ST，STA5的β相消失，主衍射峰變更為(101)α；STA4主衍射峰變更為(201)α，新增(200)β衍射峰以及其他α衍射峰。

ST、STA4和STA5樣品的晶內(nèi)SEM圖像見(jiàn)圖4。由圖4可知：STA4和STA5的晶內(nèi)片層α相大量被截?cái)喑啥贪魻睿?nèi)不同取向的片層α相互疊加；相較于ST，STA4和STA5的顯微組織中晶內(nèi)針狀α變粗后斷裂，其中，STA4發(fā)生斷裂的晶內(nèi) α相數(shù)量較多；晶內(nèi)處出現(xiàn)細(xì)紋狀組織，可能是次生α相。

TC18合金ST、STA4和STA5樣品顯微組織中的形貌參數(shù)包括晶界α相寬度、晶內(nèi)片層α相寬度見(jiàn)表4。從表4可見(jiàn)：STA5與STA4相比，晶界、晶內(nèi)α相寬度更寬；與 ST 的相形貌參數(shù)相比，STA4和STA5的晶界α相寬度更小，STA4和STA5的晶內(nèi)α相寬度更大。

2.2　時(shí)效溫度和時(shí)間對(duì)樣品拉伸性能的影響

STA1、STA2、STA3和STA5樣品的室溫拉伸應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)圖5，STA1、STA2和STA3樣品的屈服強(qiáng)度 σ 0.2 、抗拉強(qiáng)度 σ b 、斷面收縮率Z以及延伸率 δ 見(jiàn)表 5。由圖 5 可知：與 ST 相比，在450 ℃時(shí)效下，STA1和STA2強(qiáng)度大幅度提高，如450 ℃時(shí)效4 h后(STA1)，樣品的屈服強(qiáng)度從固溶的949.89 MPa 增加至 1 491.53 MPa，提高約 57%，

450 ℃時(shí)效8 h后(STA2)，樣品的屈服強(qiáng)度從固溶的948.89 MPa 增加至 1 382.6 MPa，提高約 46%，但應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)幾乎沒(méi)有塑性平臺(tái)，延伸率降至0.71%和0.95%。STA3和STA5樣品出現(xiàn)塑性平臺(tái)但強(qiáng)度較低。可見(jiàn)，當(dāng)TC18合金單級(jí)時(shí)效保溫溫度為450 ℃時(shí)，隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)，屈服強(qiáng)度降低，斷面收縮率、延伸率提升；當(dāng)保溫溫度為600 ℃

時(shí)，隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)，屈服強(qiáng)度、斷面收縮率和延伸率均提升；在保溫時(shí)間相同時(shí)，隨保溫溫度提高，屈服強(qiáng)度降低，斷面收縮率、延伸率提高。

圖 6 所示為 STA1、STA2 和 STA3 的金相和XRD結(jié)果。從圖6可見(jiàn)：TC18合金單級(jí)時(shí)效后顯微組織中存在針狀、長(zhǎng)棒狀以及短棒狀α相；與棒狀α相垂直的針狀α相在處理過(guò)程中發(fā)生熱運(yùn)動(dòng)，使得長(zhǎng)棒狀α相被截?cái)嘈纬啥贪魻瞀料啵@些短棒狀α相中近等軸狀的α相隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S狀α相；STA3相較于STA1樣品的顯微組織中棒狀α相寬度更寬。由圖 6(d)可知：STA1、STA2和STA3的主衍射峰均為(101)α；STA1的相結(jié)構(gòu)由α相構(gòu)成；STA2和STA3的相結(jié)構(gòu)由α和β相構(gòu)成。對(duì)比圖3(d)中STA5樣品的相結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有條件下，單級(jí)時(shí)效空冷后主衍射峰均為(101)α。STA1和STA5樣品的XRD圖比較相似，但這2種試樣的力學(xué)性能完全不同。圖6(e)和圖6(f)所示分別為T(mén)C18合金STA5和STA1樣品的室溫拉伸斷口。由圖6(e)和圖6(f)可知：STA5樣品的斷口表面凹凸不平，均勻分布著網(wǎng)狀韌窩，屬于韌性斷裂；STA1樣品的斷口表面呈大面積解理面，屬

于脆性斷裂。

TC18合金 STA1、STA2 和 STA3 樣品的 SEM圖像見(jiàn)圖7。結(jié)合圖4中STA4和STA5樣品的SEM圖像可知，在 TC18 合金單級(jí)時(shí)效保溫溫度為600 ℃條件下，晶界周?chē)途?nèi)基體中均有細(xì)紋 α相分布，而STA1和STA2樣品沒(méi)有出現(xiàn)這種組織。

對(duì)于晶界上和魏氏體接觸的部分，熱處理后晶界組織變細(xì)甚至消失，魏氏體組織變粗。在晶界處交匯處出現(xiàn)部分等軸α相。STA3樣品的晶內(nèi)α較STA1樣品的晶內(nèi)α相寬度更大。TC18合金STA1、STA2和STA3樣品顯微組織中的相形貌參數(shù)包括晶界α相寬度、晶內(nèi)片層α相寬度見(jiàn)表6。從表6可知，在相同溫度、不同保溫時(shí)間下，合金的相形貌參數(shù)差距不大；當(dāng)保溫時(shí)間為4 h或8 h時(shí)，保溫溫度600 ℃相較于450 ℃的晶界α、晶內(nèi)α相寬度更大。

2.3　析出形貌的透射電鏡分析

當(dāng)TC18合金單級(jí)時(shí)效保溫溫度為600 ℃時(shí)，可在晶界附近和晶內(nèi)處觀(guān)察到大量細(xì)紋組織，如圖8(a)所示；當(dāng)保溫溫度為450 ℃時(shí)觀(guān)察不到細(xì)紋組織，如圖8(b)所示。STA5樣品的TEM圖像見(jiàn)圖8(c)。從圖8(c)可以發(fā)現(xiàn)：片層α相、β相均勻分布，在α、β晶粒內(nèi)部可以觀(guān)察到位錯(cuò)，二次析出的α相清晰可見(jiàn)，與基體中的β相呈共格或半共格界面。由于時(shí)效時(shí)間較長(zhǎng)，溫度較高，二次析出的α相明顯長(zhǎng)大。對(duì)β相進(jìn)行衍射斑點(diǎn)標(biāo)定，得到的結(jié)果如圖8(d)所示，衍射斑點(diǎn)表明其為體心立方結(jié)構(gòu)，標(biāo)定衍射斑點(diǎn)的晶帶軸為[100]。二次析出 α相整齊排列在初生α之間。由于尺度較大，這種二次析出α相的出現(xiàn)及分布可能影響合金變形中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，降低強(qiáng)度，提升塑性。

2.4　時(shí)效處理的組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的關(guān)系

在不同時(shí)效處理?xiàng)l件下，TC18合金的屈服強(qiáng)度和延伸率見(jiàn)圖9。從圖9可見(jiàn)：空冷時(shí)，晶內(nèi)片層和晶界處α相寬度較大；在保溫時(shí)間相同、時(shí)效溫度為450 ℃時(shí)，TC18合金的強(qiáng)度、硬度更高，但塑性降低；在相同熱處理溫度下，當(dāng)時(shí)效溫度為450 ℃時(shí)，延長(zhǎng)保溫時(shí)間，TC18合金抗拉強(qiáng)度降低，延伸率變化不大；而當(dāng)時(shí)效溫度為600 ℃時(shí)，延長(zhǎng)保溫時(shí)間，合金抗拉強(qiáng)度提高，延伸率也有所提升；TC18 合金在相同溫度下單級(jí)時(shí)效后，當(dāng)時(shí)效溫度為450 ℃時(shí)，延長(zhǎng)保溫時(shí)間導(dǎo)致晶內(nèi)α相寬度變大；當(dāng)時(shí)效溫度為600 ℃時(shí)，延長(zhǎng)保溫時(shí)間，晶界α相寬度變小，晶內(nèi)α相寬度變大。

這符合晶界α相和晶內(nèi)α相寬度對(duì)合金力學(xué)性能的影響規(guī)律。

不同條件下晶內(nèi)α寬度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系以及晶界α寬度與延伸率的關(guān)系見(jiàn)圖10。600 ℃時(shí)效時(shí)出現(xiàn)次生α相，導(dǎo)致力學(xué)性能不能簡(jiǎn)單地由晶內(nèi)和晶界α相寬度這2個(gè)參數(shù)描述。由圖10可知：在出現(xiàn)次生α相之前，ST、STA1、STA2樣品中抗拉強(qiáng)度隨晶內(nèi)α相寬度增大而減小，延伸率隨晶界α相寬度增大而增大；出現(xiàn)次生α相后的STA1和STA3

以及STA2和STA5樣品也同樣符合這一規(guī)律。然而，對(duì)于均存在次生α相的STA3和STA5樣品，抗拉強(qiáng)度隨著晶內(nèi)α寬度增加而增加，延伸率隨著晶內(nèi)α寬度增加而減小，其原因可能是延長(zhǎng)保溫時(shí)間導(dǎo)致次生α相發(fā)生較大變化。

3、 結(jié)論

1) 鑄態(tài)TC18鈦合金時(shí)效后的強(qiáng)度較固溶態(tài)有所提升，但塑性降低。

2) 時(shí)效冷卻方式對(duì)TC18合金塑性影響較大，空冷較水冷塑性強(qiáng)；與600 ℃時(shí)相比，低時(shí)效溫度(450 ℃)下TC18合金的強(qiáng)度較高，塑性較低；與450 ℃時(shí)相比，在高時(shí)效溫度(600 ℃)下延長(zhǎng)時(shí)效保溫時(shí)間，TC18合金的強(qiáng)度和塑性均有所提升。在現(xiàn)有單級(jí)時(shí)效條件及600 ℃-8 h-AC條件下，TC18合金塑性最強(qiáng)但強(qiáng)度較低，綜合力學(xué)性能較好；在450 ℃-4 h-AC條件下，TC18合金抗拉強(qiáng)度最高達(dá)1 492 MPa，但延伸率最低。

3) 鑄態(tài)TC18合金抗拉強(qiáng)度隨晶內(nèi)α寬度增大而減小，延伸率隨晶界α寬度增大而增大。在600 ℃-8 h-AC條件下，在TC18合金中發(fā)現(xiàn)次生 α相整齊排列在初生α之間。這種次生α相的出現(xiàn)及分布可能影響了合金變形中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，降低了合金強(qiáng)度，增大了合金塑性。

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