引言
鈦及鈦合金具有低密度、耐蝕性好、比強高等特點，被廣泛應用于航天、航海、生物和化工等領域[1-2]。 TA10 鈦合金(名義成分為 Ti-0.3Mo-0.8Ni)是一種近α型鈦合金，強度中等、耐蝕性優異，主要用于化工攪拌器和承力框等構件[3-4]。 隨著鈦工業的發展，TA10 鈦合金的應用領域也在不斷擴展。 通常，TA10 合金首先在β相區溫度開坯鍛造，隨后在α＋β 兩相區溫度多火次鍛造，再進行熱處理。目前，對 TA10 鈦合金熱處理的研究主要是固溶和時效處理，對其他熱處理工藝的研究較少。 本文對 TA10 鈦合金進行雙重退火處理，研究雙重退火工藝對合金微觀組織和拉伸性能的影響，探索最佳的雙重退火工藝，為該合金的實際工程應用提供理論支撐。
1、 試驗材料與方法
研究用 TA10 鈦合金鑄錠采用真空自耗熔煉爐制備，首先在單相區開坯鍛造，隨后在兩相區多火次鍛造 成 ? 135mm棒 材。 化學成分為 ( 質 量 分數，％)0.299％ Mo、0.76％ Ni、0.042％ Ｏ、0.068％Fe、Ti 余量。 采用差熱法測定試驗用合金的相變點為 890 ℃。 為了研究雙重退火溫度對合金顯微組織和拉伸性能的影響，對合金進行了 4 種工藝的雙重退火，如表 1 所示。
熱處理后，制備拉伸試樣，隨后 Ｉｎｓｔｒｏｎ５8５9 試驗機按 GB/T 228。1—2012《金屬材料拉伸實驗第 1部分:室溫實驗方法》進行室溫拉伸性能試驗，并采用 Ａｘｉｏｕｅｒｔ 光學顯微鏡和 ＪＳＭ- 6460 掃描電子顯微鏡進行金 相 檢 驗。 金 相 試 樣 采 用 體 積 分 數 比 為ＨＦ ∶ ＨＮＯ3∶ 乳酸＝ 1 ∶ 3 ∶ ５ 的溶液浸蝕。
2 、試驗結果與分析
2.1 顯微組織
圖 1 為 TA10 鈦合金經不同工藝雙重退火后的顯微組織，可以發現，圖 1(ａ)顯微組織由初生α相(位置 Ａ)與β轉變組織(位置 Ｂ)組成，初生α相以等軸狀為主，也有大塊片狀，而β轉變組織中次生 α相很細小。 隨著雙重退火的首次退火溫度的升高，如圖 1(ｂ，ｃ) 所示，組織仍由等軸狀初生α相和 β轉變組織構成，但初生α相含量明顯減小，而β轉變組織含量明顯增加，且次生α相明顯增多(位置Ｃ)。 首次退火溫度提高至單相區后，如圖 1(ｄ) 所示，合金中的初生α相全部消失，組織以粗大β晶粒為主，并有明顯的α相存在，在粗大β晶粒內有大量均勻分布的次生α相。
合金在加熱過程中將發生 α→β 相轉變，溫度越高該轉變越完全，溫度升高至單相區后，α 相完全轉變為β相[５]。 在冷卻過程中，合金會發生 β→α相轉變，當溫度位于兩相區時，合金中α相由兩部分組成，即加熱過程中未轉變的α相及 β→α 相轉變析出的α相。 加熱溫度越高，冷卻時間越長，合金中析出的次生α相越多。 在 ５60 ℃ ×4 ｈ 空冷的第二次退火過程中，次生α相會進一步長大。 溫度升高至單相區后，合金中α相完全轉變為β相，在冷卻及第二次退火過程中，析出的次生α相長大，直至相互接觸[6]。
2.2 拉伸性能
圖 2 為不同工藝雙重退火的 TA10 鈦合金的拉伸性能，可以發現，隨著雙重退火的第一次退火溫度的升高，合金的強度升高，抗拉強度從 ５37 MPa 升高至 ５78 MPa， 屈服強度從 441 MPa 升高至 488MPa，而合金的塑性則呈現相反的趨勢，即隨著首次退火溫度的升高， 合金塑性降低， 斷后伸長率從26％降低至 3％。
文獻[7]表明，六方馬氏體 α′相、斜方馬氏體 α″相、初生α相以及次生α相均影響鈦合金的拉伸性能。 本文的熱處理為雙重退火，在雙重退火過程中，合金中六方馬氏體 α′相與斜方馬氏體 α″相均會發生分解，最終形成α相和β相，α 相形貌是影響TA10 鈦合金拉伸性能的主要因素。 由于初生α相的晶體取向通常是無序的，在拉伸過程中能激活較多的滑移系，能提高合金塑性，故隨著第一次退火溫度的升高，合金塑性降低[8]。 此外，因為次生α相很細小，在拉伸試驗過程中，細小的次生α相會阻礙位錯滑移，即產生位錯塞積，故隨著首次退火溫度的升高，合金中次生α相含量增加，其強度提高。
2.3 斷口分析
圖 3 為經不同工藝雙重退火的 TA10 鈦合金拉伸試樣斷口的微觀形貌。 由圖 3 可知，當雙重退火的首次退火溫度在兩相區時，斷口有大量等軸韌窩(位置 Ｄ)，且部分尺寸較大的韌窩中有一定數量的小韌窩。 合金的塑性與韌窩的數量和尺寸有關，斷口韌窩越多，合金的塑性越好[9]。 還發現，隨著首次退火溫度的升高，如圖 3(ａ~ ｃ)所示，斷口韌窩減少，即合金塑性降低，與圖 2 所示結果一致。 當首次退火升高至單相區后，如圖 3(ｄ) 所示，斷口呈巖石狀，韌窩很少，有明顯的撕裂棱(位置 Ｆ)，合金的塑性較差，強度較高。 此外，如圖 3(ｂ)所示，斷口有二次裂紋(位置 Ｅ)，且圖 3(ｃ) 和圖 3(ｄ) 中二次裂紋更明顯，這是由于組織中析出大量次生α相所致。
拉伸試驗時，試樣中會形成裂紋并擴展，當裂紋擴展至次生α相時，擴展路徑會發生改變，即沿垂直于原擴展路徑的方向擴展，從而形成二次裂紋[10]。
3、 結論
(1)當雙重退火的首次退火溫度在兩相區時，TA10 鈦合金顯微組織由初生α相與β轉變組織構成，且隨著首次退火溫度的升高，初生α相減小，而β 轉變組織增多，且次生α相體積明顯增大。 當首次退火溫度在單相區時，初生α相全部消失，組織(2)隨著首次退火溫度的升高，合金強度升高，
抗拉強度從 ５37 MPa 升高至 ５78 MPa，屈服強度從441 MPa 升高至 488 MPa，塑性則呈現相反的變化趨勢，即隨著首次退火溫度的升高，合金塑性降低，斷后伸長率從 26％降低至 3％。
(3)當雙重退火的首次退火溫度在兩相區時，拉伸斷口有大量等軸狀韌窩，當首次退火溫度升高至單相區后，拉伸斷口呈巖石狀，并有明顯的撕裂棱。
參考文獻
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