表1 TC20鈦合金固溶時效處理工藝參數

Table 1 Solution aging treatment process parameters ofTC20titanium alloy

Note: WQ: water quenching; AC: air cooling; solution time: 0.5 h;aging time:4h

2、結果與分析

2.1固溶溫度對TC20鈦合金顯微組織和硬度的影響

圖3為TC20鈦合金在不同固溶溫度下保溫0.5h后水冷的顯微組織。如圖3a所示，當固溶溫度為900℃時，初生α相的體積分數減少，次生α相析出，合并并長大。圖3b為合金經950℃固溶處理后的顯微組織,由于固溶溫度較高,接近 β相轉變點,發生了 α → β相轉變,部分 α相轉變成 β相,水淬后保留并得到等軸α相、次生α相和亞穩定β相，次生α相呈短棒狀。當固溶溫度為1000℃(圖3c),此時合金靠近α+β→β相變點，淬火后形成針狀馬氏體α'。如圖3d在β單相區經1050℃固溶處理后，合金組織中初生α相完全消失，交錯的針狀馬氏體α'彌散分布在β基體上，呈現各向異性。當鈦合金經高溫固溶處理后快速冷卻時，由于β→α相轉變的過程來不及進行，從而使β相轉變為成分與母相相同，而晶體結構不同的過飽和固溶體，即馬氏體[12]。

圖4為TC20鈦合金原始鍛態及經900、950、1000和1050℃固溶處理后的維氏硬度柱狀圖。從圖中可以得知，未經固溶處理的原始鍛態TC20鈦合金的硬度(HV)為2846MPa，經固溶處理后，合金的硬度顯著提高，并且隨著固溶溫度的升高，硬度呈上升趨勢。這是因為合金在兩相區固溶時，溫度越高，初生α相的體積分數越少，β相的體積分數增加;同時合金中的元素擴散能力增強，β相穩定元素Nb，伴隨著初生α相中的Nb元素向β相擴散，富集在β相，起到固溶強化的作用[13]。然而在1000和1050℃固溶后的硬度明顯比在900和950℃固溶后的硬度高，分別高達4512、4570 MPa。這是由于合金自 β相區淬火時， β相發生切變型晶格轉變，體心立方(bcc)的β相轉變為密排六方(hcp)晶格的針狀馬氏體α'相，生成的馬氏體相具有較高的硬度[14]。TC20鈦合金屬于α+β型鈦合金，其固溶處理溫度一般選擇在α+β→β相變溫度以下40~100℃，防止在β相區加熱造成晶粒粗大，塑性降低[15]。綜合考慮上述結果，認為固溶溫度選擇950℃較為合適。

2.2時效溫度對TC20鈦合金顯微組織和硬度的影響

圖5為TC20鈦合金經950℃固溶處理后分別在500、550和600℃時效4h后的顯微組織。合金經固溶時效熱處理后，亞穩定β相分解為細小的次生α相，彌散分布在β基體上。當時效溫度為500℃時，合金組織主要由等軸α相及細小的次生a組成，組織相對均勻致密。當時效溫度升高到550℃時，次生α相逐漸增多且粗化。當時效溫度繼續升高到600℃時，亞穩定β相完全分解，彌散析出大量的次生α相發生合并長大,形成尺寸較大的片層狀α相。

圖6為TC20鈦合金在不同時效溫度下的維氏硬度變化。從圖中可以看出，隨著時效溫度的升高，合金的硬度呈緩慢增加的趨勢，這主要是因為時效溫度越高，原子擴散能力增強，有利于促使亞穩定β相分解出更多的次生α相，從而產生時效硬化作用。故而時效溫度越高，合金的硬度越大。

2.3 TC20鈦合金拉伸性能和斷裂韌性評價

表2為TC20鈦合金的室溫拉伸力學性能及斷裂韌性。從表2中可以看出，未經固溶時效處理的原始鍛態TC20鈦合金的塑性較好，其伸長率和斷面收縮率分別高達15.49%、28.86%，但其強度較低。經固溶時效處理后，合金試樣6、7、8的力學性能較鍛態試樣1有明顯的變化。隨著時效溫度的升高，合金的抗拉強度變化不大，而屈服強度和彈性模量略有增加。總體來看，合金的強度有所提高，塑性和韌性有所下降。綜合考慮，時效溫度宜選為500℃，此條件下TC20鈦合金抗拉強度為1106MPa,屈服強度為1019MPa,斷裂韌性高達87.6MPa·m^1/2，可實現良好的強韌性匹配。

2.4拉伸和斷裂斷口形貌

圖7為TC20鈦合金拉伸試樣的斷口SEM照片。從圖7a中可以觀察到，未經固溶時效處理的鍛態試樣1的斷口高低起伏大，表面存在少量韌窩，尺寸大且深，說明合金的塑性較好，為典型的韌性斷裂。如圖7b所示，試樣6的斷口分布著大量韌窩，尺寸小且均勻分布，呈韌性斷裂特征。試樣7的斷口表面依然分布著大量韌窩，但同時出現了二次裂紋和撕裂棱(圖7c)，呈現準解理特征。如圖7d所示，試樣8的斷口表面存在少量韌窩，伴隨著形成的空洞，呈現以河流狀花樣和解理臺階為特征的解理斷裂。隨著時效溫度的升高，拉伸試樣斷口表面逐漸出現二次裂紋和空洞，塑性逐漸降低，與室溫拉伸試驗結果一致。圖8為TC20鈦合金CT試樣的斷口SEM照片。從圖8a中可以看出，未經固溶時效處理的鍛態試樣1的韌性斷裂斷口表面布滿韌窩，出現大量二次裂紋及未形成裂紋的微孔。圖8b為試樣6的斷口形貌，韌窩呈等軸狀均勻分布，尺寸小而深，為韌性斷裂。如圖8c所示，試樣7的斷口表面有大量微孔和撕裂棱，呈現準解理斷裂特征。圖8d中試樣8的斷口表面以解理面為主，呈現小韌窩和解理面混合的解理斷裂特征。隨著時效溫度的升高，韌窩尺寸逐漸變小變淺，斷裂韌性逐漸降低，這與平面應變斷裂韌性試驗測試結果一致。

表2 TC20鈦合金室溫拉伸力學性能和斷裂韌性

Table 2 Room temperature tensile mechanical properties and fracture toughness ofTC20titanium alloy

3、結論

1)隨著固溶溫度的升高，合金的硬度呈明顯上升趨勢。在兩相區固溶時，隨著溫度的升高，初生α相的體積分數減少，β相的體積分數增加。自β相區淬火時，β相發生切變型晶格轉變，生成具有較高硬度的針狀馬氏體α'相。

2)經固溶時效處理后，亞穩定β相分解為細小的次生α相，彌散分布在β基體上。當固溶溫度(950℃)一定時，隨著時效溫度的升高，合金的強度和硬度提高，塑性和韌性下降。經綜合考慮分析，固溶時效工藝宜選為950℃/0.5hWQ+500℃/4hAC，此條件下TC20鈦合金抗拉強度為1106MPa，屈服強度為1019 MPa，斷裂韌性高達87.6MPa·m^1/2，可實現良好的強韌性匹配。

3)未經固溶時效處理的鍛態TC20鈦合金拉伸和CT試樣，其斷口呈現典型的韌性斷裂形貌特征，而經不同固溶時效處理的試樣斷口主要以準解理斷裂和解理斷裂為主。隨著時效溫度的升高，拉伸試樣斷口表面逐漸出現二次裂紋和空洞，塑性逐漸降低，CT試樣的韌窩逐漸變小變淺，斷裂韌性逐漸降低。

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（注，原文標題：固溶時效對TC20鈦合金顯微組織和力學性能的影響_鐘明君）