鈦及鈦合金因其獨特的綜合性能在多個工業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用價值，該材料不僅具有出色的比強度和輕量化特性，還兼具無磁性和卓越的生物相容性等顯著優(yōu)勢。這些特性使得鈦合金在海洋工程裝備、醫(yī)療器械制造、化工設(shè)備等高新技術(shù)領(lǐng)域獲得了不可替代的地位。其中，TC11鈦合金作為一種典型的兩相鈦合金，該合金不僅具備優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，還保留了鈦材料固有的耐蝕性能。隨著鈦合金的不斷發(fā)展，TC11鈦合金的應(yīng)用范圍已從最初的如熱交換器、反應(yīng)容器等，逐步擴展到海洋工程、能源裝備等多個新興領(lǐng)域，展現(xiàn)出廣闊的市場前景和發(fā)展?jié)摿Α?/span>
由于TC11鈦的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展，對其研究也十分廣泛，且關(guān)于該合金熱處理的研究也是十分豐富。其中。林來兒等研究了退火溫度對TC11鈦合金微觀組織和拉伸性能的影響；王曉亮等研究了不同退火組織對TC11鈦合金動態(tài)沖擊性能的影響。朱寧遠等研究了固溶時效處理對TC11鈦合金顯微組織和硬度的影響。盡管TC11鈦合金的熱處理工藝已得到廣泛研究，但現(xiàn)有研究仍存在明顯的局限性，目前的熱處理溫度研究主要聚焦于兩相區(qū)，而對單相區(qū)的熱處理行為探討相對不足。此外，相關(guān)研究多集中于熱處理溫度對顯微組織演變、相組成轉(zhuǎn)變及力學(xué)性能的影響，關(guān)于熱處理溫度對TC11合金織構(gòu)的影響也相當(dāng)較少。
針對這一研究現(xiàn)狀，本文采用對比研究方法，分別在兩相區(qū)和單相區(qū)溫度對TC11鈦合金進行退火處理，系統(tǒng)考察不同退火溫度對合金微觀組織特征、織構(gòu)特征以及室溫拉伸性能的影響規(guī)律，該研究可為TC11鈦合金的熱處理工藝優(yōu)化提供一定理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐,對航空航天關(guān)鍵部件的材料設(shè)計和工程應(yīng)用具有重要的一定指導(dǎo)價值。
Part1材料與方法
本研究選用厚度為30ｍｍ的商用TC11鈦合金板材作為實驗原料，該材料采用優(yōu)質(zhì)小顆粒海綿鈦(純度≥99.7％)和中間合金作為初始原料，通過真空自耗電弧爐(VAR)進行三次熔煉以確保成分均勻性。獲得的鑄錠隨后在自由鍛造機上進行多道次自由鍛造，制成鈦合金板坯，最后采用2450軋機，經(jīng)多火次軋制加工，制成成品規(guī)格鈦合金板材。采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)和氧氮分析儀對材料進行成分檢測，結(jié)果顯示其化學(xué)成分(ωt/％) 為：6.62Al、3.11Mo、1.50Zr、0.322Si、0.150Ｏ、0.12Fe、Ti余量。 通過差示掃描量熱法(DSC)測定該合金的β相變點為997℃。基于相變點溫度，設(shè)計兩相區(qū)和單相區(qū)共四個退火溫度.具體工藝參數(shù)為：(940 ℃、960℃、980℃、1000℃)×2h×Ac(Ac表示空冷，冷卻速率約30℃/min)。 每組熱處理均采用高精度箱式電阻爐(控溫精度±2℃)進行，試樣以10℃/min的速率升溫至目標溫度并保溫.隨后出爐空冷至室溫。
實驗采用線切割方法將原始TC11鈦合金板材加工成標準試樣，熱處理完成后，試樣經(jīng)機械研磨和拋光處理.隨后采用Kroll試劑(2%HF+4%HNO3＋94％H2O)腐蝕10~15s。 使用Carl Zeiss Axiovert 200MAT型倒置光學(xué)顯微鏡(OM) 觀察顯微組織形貌。采用thermo Scientific Apreo 2型場發(fā)射掃描電子顯微鏡配備的電子背散射衍射(EBSD) 系統(tǒng)進行晶體結(jié)構(gòu)表征。測試前，試樣經(jīng)機械拋光后采用電解拋光進行處理(電解液為6％高氯酸＋34％正丁醇＋60％甲醇)，以獲得無應(yīng)變的測試表面。室溫拉伸測試在Instron 5985電子萬能試驗機上進行，加載速率為1mm/min，依據(jù)GB/T228.1-2021標準測定抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率。
Part2結(jié)果與分析
2.1 微觀組織
圖1展示了TC11鈦合金在不同退火溫度下的顯微組織演變規(guī)律。在940℃退火溫度下(圖1(ａ))，顯微組織呈現(xiàn)典型的雙態(tài)組織特征，主要由兩種結(jié)構(gòu)組成，即初生α 相(位置A)和β 轉(zhuǎn)變組織(位置B)。β轉(zhuǎn)變組織中包含大量細小的針狀次生α相(位置C)和分布在次生α 相間的殘余β 相構(gòu)成。 隨著退火溫度升至960℃(圖1(ｂ))，組織中初生α相含量降至，同時β轉(zhuǎn)變組織含量相應(yīng)增加，其中次生α相出現(xiàn)一定程度的粗化現(xiàn)象。 當(dāng)溫度進一步提高至980℃(接近β相變點，圖1(ｃ))，初生α相含量進一步減少，β轉(zhuǎn)變組織中的次生α 相繼續(xù)粗化。在1000℃單相區(qū)退火后(圖1(ｄ))，組織發(fā)生顯著轉(zhuǎn)變，初生α 相完全消失，形成單一β相基體。在β晶粒內(nèi)部析出大量細小的次生α相，這些次生α相呈現(xiàn)典型的魏氏體片層結(jié)構(gòu)。同時，在β晶界處觀察到明顯的三叉晶界特征。
TC11鈦合金在加熱至兩相區(qū)溫度范圍時，合金內(nèi)部發(fā)生典型的α相部分溶解現(xiàn)象。在此過程中，能量狀態(tài)較高的細小α 相優(yōu)先發(fā)生溶解，隨后尺寸較小的α相逐漸融入β基體。溶解機制導(dǎo)致初生α相的含量不斷減少，同時β相體積分數(shù)隨溫度升高呈單調(diào)遞增趨勢。當(dāng)加熱溫度超過β相變點進入單相區(qū)后，合金經(jīng)歷完全的α→β 相變。此時所有初生α相均發(fā)生溶解，形成單一的β相顯微組織。在此溫度區(qū)間，β晶粒會通過晶界遷移機制發(fā)生顯著粗化，形成粗大β晶粒形貌。
待加熱完成后，在從兩相區(qū)冷卻時，未溶解的初生α相作為形核核心，促進次生α 相的析出。而從單相區(qū)冷卻時，次生α 相主要在β 晶界和晶內(nèi)缺陷處形核。隨著退火溫度升高，冷卻過程中的過冷度顯著增大，導(dǎo)致次生α 相形核驅(qū)動力增強，次生α 相數(shù)量密度提高且均尺寸增大。特別在單相區(qū)處理后的冷卻過程中，高過冷度條件促使形成典型的魏氏體組織，其特征為相互平行的α片層群。
2.2 織構(gòu)分析
圖2展示了TC11鈦合金在不同退火溫度下的織構(gòu)特征。發(fā)現(xiàn)合金經(jīng)不同溫度退火處理后，所有試樣{0001}晶面均出現(xiàn)明顯的織構(gòu)特征，而{11－20}以及{10-10}晶面織構(gòu)特征不明顯。 進一步觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)退火處理后，所有試樣{0001}晶面中均為混合織構(gòu)，且隨著退火溫度升高，{0001}晶面的織構(gòu)強度不斷降低，由8.96 降低至5.27。
退火處理后，鈦合金試樣中{0001}晶面出現(xiàn)明顯的取向集中，而{11-20}和{10-10}晶面取向分散，表明在退火過程中，基面織構(gòu)占主導(dǎo)地位。 在退火過程中，由于溫度和時間的控制，鈦合金中的各個晶粒可能會朝向不同的方向生長，導(dǎo)致晶粒取向的多樣性。這種多樣性使得合金呈現(xiàn)出混合織構(gòu)的特征，混合織構(gòu)意味著合金中的不同晶粒具有不同的取向，這是由于在退火過程中晶粒的轉(zhuǎn)動和重排造成的。 此外，隨著溫度的升高，原子在合金中的熱運動變得更加劇烈，這使得原子更容易遷移和重新排列。在高溫下，晶粒更容易長大，并且朝向能量更低、更穩(wěn)定的方向轉(zhuǎn)動。這種晶粒的長大和轉(zhuǎn)動有助于減少晶界數(shù)量，使得合金的織構(gòu)趨于均勻化，從而降低了織構(gòu)強度。
2.3 拉伸性能
圖3展示了TC11實驗結(jié)果可以看出，退火溫度對合金的力學(xué)性能具有顯著影響。隨著退火溫度的逐步提升，合金的強度指標呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，其中抗拉強度(Rm)從初始的1010MPa顯著增加到1255MPa，增幅達19.5％；同時，屈服強度(Rp0.2)由900MPa增至1135MPa，增幅達到20.7％。然而，與強度性能的變化趨勢相反，合金的塑性指標則隨溫度升高而持續(xù)下降，斷后伸長率(A)從16％大幅降低至3％，降幅高達81.25％。
退火溫度的變化會顯著改變合金的微觀組織特征，進而影響其拉伸性能。研究表明，初生α相的含量對合金的塑性起決定性作用，當(dāng)組織中含有較多初生α相時，由于該相的晶體取向呈隨機分布，在變形過程中能夠激活更多滑移系，從而提高組織的協(xié)調(diào)變形能力，使合金表現(xiàn)出更優(yōu)異的塑性。 然而，隨著退火溫度的升高，初生α相含量逐漸減少，導(dǎo)致合金的塑性性能下降。此外，相關(guān)研究指出，β轉(zhuǎn)變組織的存在會影響組織的變形協(xié)調(diào)性，進而降低合金的塑性。
另一方面，次生α相的形貌與分布對合金的強度起關(guān)鍵作用，由于次生α 相通常呈細小彌散分布，在塑性變形過程中能夠有效阻礙位錯運動，導(dǎo)致位錯塞積。若要使材料繼續(xù)變形，必須施加更高的應(yīng)力，從而提高合金的強度，即退火溫度升高，次生α相數(shù)量密度提高，合金強度增加。
Part3結(jié)論
(1)在雙相區(qū)退火處理時，合金的顯微組織主要由初生α相和β轉(zhuǎn)變組織組成。其中β轉(zhuǎn)變組織又包含細小的次生α相和殘余β相基體， 隨著退火溫度升高至β單相區(qū)范圍，原始初生α 相完全溶解，形成以粗大β晶粒為主導(dǎo)的顯微結(jié)構(gòu)，同時在三叉晶界處出現(xiàn)明顯的晶界相交特征。
(2)經(jīng)不同溫度退火處理后，所有試樣{0001}晶面均出現(xiàn)明顯的織構(gòu)特征，而{11－20}以及{10－10}晶面織構(gòu)特征不明顯，且所有試樣{0001}晶面中均為混合織構(gòu)，且隨著退火溫度升高，{0001}晶面的織構(gòu)強度不斷降低，由8.95降低至5.27。
(3)隨著退火溫度的逐步提升，合金的強度指標呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。其中抗拉強度增幅達19.5%，屈服強度增幅達到20.7％，合金的塑性指標則隨溫度升高而持續(xù)下降，斷后伸長率降幅高達81.25％。
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