引言
钛及钛合金具有低密度、耐蚀性好、比强高等特点，被广泛应用于航天、航海、生物和化工等领域[1-2]。 TA10 钛合金(名义成分为 Ti-0.3Mo-0.8Ni)是一种近α型钛合金，强度中等、耐蚀性优异，主要用于化工搅拌器和承力框等构件[3-4]。 随着钛工业的发展，TA10 钛合金的应用领域也在不断扩展。 通常，TA10 合金首先在β相区温度开坯锻造，随后在α＋β 两相区温度多火次锻造，再进行热处理。目前，对 TA10 钛合金热处理的研究主要是固溶和时效处理，对其他热处理工艺的研究较少。 本文对 TA10 钛合金进行双重退火处理，研究双重退火工艺对合金微观组织和拉伸性能的影响，探索最佳的双重退火工艺，为该合金的实际工程应用提供理论支撑。
1、 试验材料与方法
研究用 TA10 钛合金铸锭采用真空自耗熔炼炉制备，首先在单相区开坯锻造，随后在两相区多火次锻造 成 ϕ 135mm棒 材。 化学成分为 ( 质 量 分数，％)0.299％ Mo、0.76％ Ni、0.042％ Ｏ、0.068％Fe、Ti 余量。 采用差热法测定试验用合金的相变点为 890 ℃。 为了研究双重退火温度对合金显微组织和拉伸性能的影响，对合金进行了 4 种工艺的双重退火，如表 1 所示。
热处理后，制备拉伸试样，随后 Ｉｎｓｔｒｏｎ５8５9 试验机按 GB/T 228。1—2012《金属材料拉伸实验第 1部分:室温实验方法》进行室温拉伸性能试验，并采用 Ａｘｉｏｕｅｒｔ 光学显微镜和 ＪＳＭ- 6460 扫描电子显微镜进行金 相 检 验。 金 相 试 样 采 用 体 积 分 数 比 为ＨＦ ∶ ＨＮＯ3∶ 乳酸＝ 1 ∶ 3 ∶ ５ 的溶液浸蚀。
2 、试验结果与分析
2.1 显微组织
图 1 为 TA10 钛合金经不同工艺双重退火后的显微组织，可以发现，图 1(ａ)显微组织由初生α相(位置 Ａ)与β转变组织(位置 Ｂ)组成，初生α相以等轴状为主，也有大块片状，而β转变组织中次生 α相很细小。 随着双重退火的首次退火温度的升高，如图 1(ｂ，ｃ) 所示，组织仍由等轴状初生α相和 β转变组织构成，但初生α相含量明显减小，而β转变组织含量明显增加，且次生α相明显增多(位置Ｃ)。 首次退火温度提高至单相区后，如图 1(ｄ) 所示，合金中的初生α相全部消失，组织以粗大β晶粒为主，并有明显的α相存在，在粗大β晶粒内有大量均匀分布的次生α相。
合金在加热过程中将发生 α→β 相转变，温度越高该转变越完全，温度升高至单相区后，α 相完全转变为β相[５]。 在冷却过程中，合金会发生 β→α相转变，当温度位于两相区时，合金中α相由两部分组成，即加热过程中未转变的α相及 β→α 相转变析出的α相。 加热温度越高，冷却时间越长，合金中析出的次生α相越多。 在 ５60 ℃ ×4 ｈ 空冷的第二次退火过程中，次生α相会进一步长大。 温度升高至单相区后，合金中α相完全转变为β相，在冷却及第二次退火过程中，析出的次生α相长大，直至相互接触[6]。
2.2 拉伸性能
图 2 为不同工艺双重退火的 TA10 钛合金的拉伸性能，可以发现，随着双重退火的第一次退火温度的升高，合金的强度升高，抗拉强度从 ５37 MPa 升高至 ５78 MPa， 屈服强度从 441 MPa 升高至 488MPa，而合金的塑性则呈现相反的趋势，即随着首次退火温度的升高， 合金塑性降低， 断后伸长率从26％降低至 3％。
文献[7]表明，六方马氏体 α′相、斜方马氏体 α″相、初生α相以及次生α相均影响钛合金的拉伸性能。 本文的热处理为双重退火，在双重退火过程中，合金中六方马氏体 α′相与斜方马氏体 α″相均会发生分解，最终形成α相和β相，α 相形貌是影响TA10 钛合金拉伸性能的主要因素。 由于初生α相的晶体取向通常是无序的，在拉伸过程中能激活较多的滑移系，能提高合金塑性，故随着第一次退火温度的升高，合金塑性降低[8]。 此外，因为次生α相很细小，在拉伸试验过程中，细小的次生α相会阻碍位错滑移，即产生位错塞积，故随着首次退火温度的升高，合金中次生α相含量增加，其强度提高。
2.3 断口分析
图 3 为经不同工艺双重退火的 TA10 钛合金拉伸试样断口的微观形貌。 由图 3 可知，当双重退火的首次退火温度在两相区时，断口有大量等轴韧窝(位置 Ｄ)，且部分尺寸较大的韧窝中有一定数量的小韧窝。 合金的塑性与韧窝的数量和尺寸有关，断口韧窝越多，合金的塑性越好[9]。 还发现，随着首次退火温度的升高，如图 3(ａ~ ｃ)所示，断口韧窝减少，即合金塑性降低，与图 2 所示结果一致。 当首次退火升高至单相区后，如图 3(ｄ) 所示，断口呈岩石状，韧窝很少，有明显的撕裂棱(位置 Ｆ)，合金的塑性较差，强度较高。 此外，如图 3(ｂ)所示，断口有二次裂纹(位置 Ｅ)，且图 3(ｃ) 和图 3(ｄ) 中二次裂纹更明显，这是由于组织中析出大量次生α相所致。
拉伸试验时，试样中会形成裂纹并扩展，当裂纹扩展至次生α相时，扩展路径会发生改变，即沿垂直于原扩展路径的方向扩展，从而形成二次裂纹[10]。
3、 结论
(1)当双重退火的首次退火温度在两相区时，TA10 钛合金显微组织由初生α相与β转变组织构成，且随着首次退火温度的升高，初生α相减小，而β 转变组织增多，且次生α相体积明显增大。 当首次退火温度在单相区时，初生α相全部消失，组织(2)随着首次退火温度的升高，合金强度升高，
抗拉强度从 ５37 MPa 升高至 ５78 MPa，屈服强度从441 MPa 升高至 488 MPa，塑性则呈现相反的变化趋势，即随着首次退火温度的升高，合金塑性降低，断后伸长率从 26％降低至 3％。
(3)当双重退火的首次退火温度在两相区时，拉伸断口有大量等轴状韧窝，当首次退火温度升高至单相区后，拉伸断口呈岩石状，并有明显的撕裂棱。
参考文献
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