鈦及鈦合金具有無磁性，良好耐腐蝕性和生物兼容性等眾多優(yōu)異特性，在汽車工業(yè)、海洋工程、生物醫(yī)療等領域均有廣泛應用[1–2]。TA10鈦合金是一種常見的近α型鈦合金，該合金是替代高成本Ti–0.2Pd合金而發(fā)明的，因為其具有優(yōu)異的耐腐蝕性，較低的成本，該合金在石油與化工領域得到廣泛應用[3–4]。

TA10合金的應用領域不斷增加，國內外學者對該合金做了大量的研究，蘇娟華等[5]研究了TA10鈦合金的高溫拉伸斷裂極限，結果表明：應變速率和溫度的改變對該合金斷裂極限值影響較大，提升變形溫度會提高合金的斷裂極限值，而提高應變速率會降低合金的斷裂極限值。許耀平等[6]進行了電子束冷床爐熔鑄TA10鈦合金非對稱流動及凝固過程 數值模擬，結果表明：形成非對稱熔池的必要條件為傳熱和流動，鈦溶液流入結晶器的過程中，部分溶液會侵蝕凝固坯殼，而另一部分因為溫度不同導致密度改變，進而使其重返液面。

雖然對TA10合金的研究領域眾多，但對該合金的組織與性能研究目前仍是主要研究方向，本文選取確定固溶溫度，改變時效溫度，分析固溶時效對合金組織與力學性能的關系，為該合金的進一步應用作出參考。

實驗材料與方法

本實驗選用的材料為TA10鈦合金，該合金的名義成分為Ti–0.3Mo–0.8Ni，通過ICP（電感耦合等離子體技術）測得實驗用合金的化學成分為：w(Mo)=0.28%、(Ni)=0.77%、w(O)=0.05%、w(Fe)=0.074%、Ti余量。通過金相法測定實驗用合金的相變點為890~895℃。隨后選取860℃為固溶溫度，對其進行固溶處理，隨后選取520、540和560℃3組溫度對其進行時效處理，具體制度如表1所示（WQ為水冷，AC為空冷），將經固溶時效處理后的合金進行切割加工，制成金相試樣與室溫拉伸試樣。

合金的金相組織觀察使用Axiomatic光學顯微鏡，使用Instron電子萬能實驗機進行拉伸實驗測試，每組拉伸實驗測試3個試樣，最后取其平均值，使用Ziss電子掃描顯微鏡觀察拉伸斷口微觀形貌。

實驗結果與分析

金相組織

圖1為經固溶時效處理后的金相組織，由圖1可得，合金經860℃固溶處理后，金相組織由初生α相和β轉變組織組成，其中β轉變組織由細小的次生α′相和殘余β相組成，此時組織為典型的雙態(tài)組織，因為合金相變溫度為890~895℃，當合金加熱到860℃時，組織中α相發(fā)生部分溶解，當進行水冷處理后，組織中發(fā)生β→α相轉變，導致組織中的α相的由2部分組織，一部分為組織原始存在的α相，另一部分為新轉變而來的α相[7]。又因為水冷處理時的過冷度較大，組織形成過飽和固溶體，形成亞穩(wěn)定β相和次生α′相[8]。當合金經固溶處理再進行500℃時效處理后，組織中初生α相含量與形貌變化較小，組織中亞穩(wěn)定β相分解，形成穩(wěn)定的β相以及次生αs相，此時組織中初生α相含量與形貌變化較小，而時效形成的次生αs相體積較為細小且含量較少，隨著時效溫度升高到520℃，組織中析出的次生αs相更加細小，且含量明顯增多，當時效溫度達到540℃時，次生αs相含量繼續(xù)增大，形貌更加細小均勻，但初生α相含量幾乎不變。

因為合金經固溶處理后會形成過飽和固溶體，在隨后的時效的過程中過飽和固溶體會發(fā)生分解，其中主要的變化為亞穩(wěn)定β相發(fā)生分解為αs相和穩(wěn)定β相，而在固溶過程中形成的α′相會逐漸分解，最后轉變成α相，故經時效后的組織由αs相、α相、穩(wěn)定β相構成[9–10]。

拉伸性能

圖2為經固溶時效處理后的拉伸性能，由圖2可得，合金在只經固溶處理后，其抗拉強度（Rm）為510MPa，屈服強度（Rp0.2）為395MPa，延伸率（A）為23%。當再經時效處理后，其強度增大，塑性降低，隨著時效溫度升高，趨勢不變，其中在時效溫度為540℃時強度最大，其抗拉強度為548MPa，屈服強度為432MPa，而時效溫度為500℃時塑性最大，延伸率為17%。

合金經時效處理后強度升高，這是因為時效過程是析出相強化的過程，合金經時效后，組織中會形成較固溶處理后更加細小的αs相，在合金進行拉伸時，位錯在穿過細小的αs相時，產生的形變不能快速的分散，導致位錯塞積產生，增加晶界位置的應力，增加合金強度。隨著時效溫度的增加，合金中的αs相含量不斷增加，形貌更加細小均勻，在產生位錯塞積的同時，會進一步增加滑移過程中的阻礙效果，導致合金強度進一步增加[11–12]。通過圖2還以發(fā)現，合金的延伸率始終較好，這是因為時效的過程對組織中初生α相的含量和形貌并無較大影響，此時因為初生α相具有等軸形貌，等軸狀的α相在變形時，其具有較好的協調性，促進滑移的開始，導致合金具有較好的塑性[13]。

斷口微觀形貌

圖3為經固溶時效處理后的拉伸斷口微觀形貌，由圖3可得，經固溶時效處理后，合金的拉伸斷口形貌均以等軸狀的韌窩（位置A）為主。合金在拉伸時，因為應變速度較快，位錯在運動過程中產生應力集，進而導致微孔開始成核，隨著塑性變形不斷進行，位錯在運動過程中所受的排斥力減小，部分位錯進入微孔內，再次激活位錯源，因為拉伸過程中位錯不斷形成，而微孔中會不斷有新形成的位錯進入，使得微孔逐漸長大，隨后微孔都匯聚于斷口位置并且留下痕跡，最后形成大量韌窩[14]。

當合金經時效處理后，斷口微觀形貌中會出現一定數量的二次裂紋（位置B），這是因為時效后組織中形成了大量的αs相，在拉伸時因為位錯運動過程中會受到一定的阻塞，使位錯發(fā)生偏移，二次裂紋的出現說明強度進一步增大。當時效溫度繼續(xù)增大，斷口微觀形貌中出現明顯的撕裂棱，且斷裂形貌有明顯的起伏，這是組織中αs相進一步增多所致，宏觀表現為合金強度進一步增大，與實際結果相一致。

結束語

（1）合金經固溶處理后，金相組織由初生α相和β轉變組織組成，其中β轉變組織由細小的次生α′相和殘余β相組成，此時組織為典型的雙態(tài)組織，經時效處理后，會形成細小的次生αs相，時效溫度越高αs相越細小。

（2）合金經固溶處理后，其抗拉強度為510MPa，屈服強度為395MPa，延伸率為23%，當再經時效處理后，其強度增大，塑性降低，隨著時效溫度升高，強度繼續(xù)增大，同時塑性繼續(xù)降低。

（3）經固溶處理后，合金的拉伸斷口形貌均是以等軸狀的韌窩為主，當合金經時效處理后，斷口微觀形貌中會出現二次裂紋，當時效溫度繼續(xù)增大，斷口微觀形貌中出現明顯的撕裂棱。

參考文獻

[1]王慶娟，田云飛，高貝特，等. 工業(yè)純鈦TA1的雙道次熱壓縮變形及軟化行為. 金屬熱處理，2022，47(4)：75

[2]劉曉鎮(zhèn)，韓恩厚，宋影偉. 微觀組織對TA2和TC4氫損傷行為影響. 中國有色金屬學報，2023，33(2)：307

[3]劉全明，龍偉民，傅莉，等. 氫致TA10鈦合金焊接接頭拉伸性能演變. 焊接學報，2020，41(12)：20

[4]張晉，王永強，戶如意，等. 大規(guī)格TA10鈦合金鑄錠生產工藝研究. 世界有色金屬，2020(23)：127

[5]蘇娟華，邵鵬，任鳳章. TA10鈦合金的高溫拉伸斷裂極限. 金屬熱處理，2018，43(4)：24

[6]許耀平，陳其朋，劉源，等. 電子束冷床爐熔鑄TA10鈦合金非對稱流動及凝固過程數值模擬（英文）. 稀有金屬材料與工程，2020，49(11)：3761

[7]王紹灼，孟晗，王芬，等. 改善低氧TC4-LC及重熔TC4鈦合金性能的熱處理工藝. 金屬熱處理，2022，47(4)：204

[8]李冬，曾衛(wèi)東，李欣，等. Ti60合金保溫過程中片狀組織的粗化行為. 稀有金屬，2022，46(3)：273

[9]肖寒，于佳新，張宏宇，等. 退火溫度對新型高強耐蝕鈦合金組織與性能的影響. 稀有金屬材料與工程，2022，51(3)：947

[10]張明玉，運新兵，伏洪旺. 不同熱處理工藝對TC10鈦合金組織及性能的影響. 塑性工程學報，2021，28(12)：237

[11]Zhang M Y, Fu H W, Yun X B. Effect of isothermal annealing on the microstructure and impact properties of TC10 titanium alloy. J Phys Conf Ser, 2021, 2044: Art No. 012037

[12]賀韡，雷文杰，彭丹迪. 去應力退火對TB15鈦合金力學性能和組織的影響. 熱加工工藝，2021，50(24)：146

[13]王博涵，程禮，崔文斌，等. 鍛造工藝對TC4鈦合金組織和力學性能的影響. 熱加工工藝，2021，50(23)：17

[14]Huang Y, Gao H, Nix W D, et al. Mechanism-based strain gradient plasticity –II. Analysis. J Mech Phys Solids, 2000, 48(1):99

基金項目：新疆鈦基新材料重點實驗室資助項目（XR/KY-XD-21005）；自治區(qū)創(chuàng)新環(huán)境（人才、基地）建設專項資助項目（XJQY2009）。

作者簡介：楊夢迪（1995—），女，新疆哈密人，本科，助理工程師，主要從事鈦及鈦合金生產以及質量管理工 作 。 通信地址：新疆湘潤新材料科技有限公司 ，E-mail：924168452@qq.com。

相關鏈接