鈦合金因其比強度高、耐腐蝕、高溫力學性能好、抗疲勞和抗蠕變等性能優良的特點，在航空航天飛行器、艦艇及兵器等部件制造中的應用日益廣泛[1]。TC4鈦合金（Ti-6Al-4V）是雙相合金，具有良好的綜合性能，組織穩定性好，有良好的韌性、塑性和高溫變形性，能較好地進行熱壓力加工、淬火、時效使合金強化[2-8]。

現階段對鈦合金的研究主要集中在退火處理和固溶時效處理[9-14]，主要是固溶及時效溫度和時間對其力學性能和組織的影響。固溶和時效處理能提高TC4鈦合金的強度，TC4鈦合金固溶處理后一般采用水淬，水淬后表面氧化嚴重。近年來，國內外真空氣淬爐的發展比較迅速，這為鈦合金的熱處理提供了更多的選擇空間，而且真空熱處理的表面氧化較少，對環境的污染少，是熱處理行業一個重要的發展方向。

本文采用真空氣淬熱處理爐對TC4鈦合金進行固溶處理和時效處理，研究不同氬氣氣淬壓力下合金的組織和力學性能演變規律，分析了不同條件下的斷口形貌，為合金的真空氣淬熱處理提供理論依據。

1、試驗材料及方法

試驗用材料為TC4鈦合金棒材，其化學成分（質量分數，％）為0.08Ｃ、0.26Fe、0.035Ｎ、0.013H、0.16O、6.3Al、4.2Ｖ，余量Ti。采用的設備是真空高壓氣淬熱處理爐，設備的參數為爐溫均勻性±5℃，最高氣淬壓力6bar（1bar＝0.1ＭPa），極限真空度1×10^-4Pa，裝爐量200kg，裝爐方式為小批量裝爐。對TC4鈦合金進行真空固溶處理，然后采用管式熱處理爐進行時效處理。將尺寸為15ｍｍ×15ｍｍ×225ｍｍ的TC4鈦合金棒材放置于真空高壓氣淬熱處理爐內，抽真空至2×10^-4Pa，待爐溫升至鈦合金α-β相區溫度955℃后保溫60min，保溫結束后分別進行壓強為2、4和6bar的氬氣氣淬冷卻至室溫，延遲淬火時間不超過10ｓ，取出試樣后在管式爐內進行低溫時效550℃保溫5ｈ，空冷。對熱處理后的TC4鈦合金試樣進行金相樣品制備，為了分析合金熱處理后的組織演變規律，通過徠卡ＤＭＩ8型光學顯微鏡（OM）和ＺＥＩＳＳＧｅｍｉｎｉＳＥＭ300型掃描電鏡（ＳＥＭ）觀察試樣微觀組織。按照ＧＢ／Ｔ228.1—2021《金屬材料　拉伸試驗　第1部分：室溫試驗方法》和ＧＢ／Ｔ229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》制備拉伸試樣和沖擊試樣，具體尺寸如圖1所示，并利用ＩＮＳＴＲＯＮ5982型電子萬能試驗機和ＺＢＣ3302-Ａ型指針式金屬擺錘沖擊試驗機測試不同熱處理條件下TC4鈦合金的力學性能。

2、試驗結果與分析

2.1　不同氣淬壓力的微觀組織

圖2是TC4鈦合金在不同氬氣氣淬壓力下的顯微組織，可以看出，經時效處理后合金的組織主要由細長的α相和已轉變的針狀β相組成，隨著固溶處理氬氣氣淬壓力的增加，時效后α相大致呈粗化趨勢，數量先減小后增加。這是因為隨著氬氣氣淬壓力的增加，相同條件下氬氣氣淬壓力大的冷卻速度快，淬火后獲得的亞穩β相或馬氏體越多，在隨后的時效過程中亞穩β相會進一步轉變為α相，當氬氣氣淬壓力增加到4bar時，由于部分亞穩的β相轉變成α相的數量少或者氬氣氣淬后轉變成的馬氏體較多，造成α相數量有小幅度的減少。當氬氣氣淬壓力進一步增加為6bar時，形成的馬氏體進一步長大，造成α相粗化數量又進一步增多。晶界處有細長鏈狀α相和少量的針狀β相析出，呈連續或者不連續分布，晶內細長α相和針狀β相交替分布，部分區域兩相平行排布，有些區域兩相則呈一定角度排布。

圖3是TC4鈦合金在不同氬氣氣淬壓力下的ＳＥＭ圖。表1是TC4鈦合金不同氬氣氣淬壓力下相含量和尺寸，尺寸測量采用ＮａｎｏＭｅａｓｕｒｅｒ軟件測試獲得。從圖3和表1可以看出，隨著固溶處理氬氣氣淬壓力的增加，細長α相的平均寬度逐漸增大，α相的平均長度先微降后增加，其在組織中的占比先減小后增加，針狀β相的平均寬度則先減小后微增，β相的平均長度則逐漸減小，β相在組織中的占比則先增加后減小。隨著氬氣氣淬壓力的增大，冷卻速度加快，TC4鈦合金亞穩β相不斷轉變為α相，同時鈦合金固溶處理氬氣氣淬后還會直接形成馬氏體，并且部分已經轉變為α相的馬氏體會長大，造成α相和β相數量、尺寸發生變化。

由表1可見，當固溶處理氬氣氣淬壓力為2bar時，微觀組織中細長α相的平均寬度最小，尺寸范圍在2.9～3.5μｍ，針狀β相的平均寬度最大，尺寸范圍在0.86～1.43μｍ，α相的平均長度居中，β相的平均長度最長，β相的體積分數居中，約為７0.6％；當固溶處理氬氣氣淬壓力4bar時，微觀組織中細長α相的平均寬度居中，尺寸在2.8～4.3μｍ，針狀β相的平均寬度最小，尺寸為0.85～1.14μｍ，α相的平均長度最小，β相的平均長度居中，β相的體積分數最大，約為７9.4％；固溶處理氬氣氣淬壓力為6bar時，微觀組織中細長α相的平均寬度最大，尺寸范圍在2.9～4.9μｍ，針狀β相的平均寬度居中，尺寸范圍為0.82～1.29μｍ，α相的平均長度最長，β相的平均長度最小，β相的體積分數最小，約為56.6％。

2.2　不同氣淬壓力的力學性能及斷口形貌

將固溶處理不同氬氣氣淬壓力的試樣進行相同時效處理，然后進行力學性能測試，根據ＧＢ／Ｔ2965—2023《鈦及鈦合金棒材》，分析不同固溶處理氬氣氣淬壓力對TC4鈦合金力學性能的影響，結果如圖4和表2所示。由圖4和表2可以看出，固溶處理氬氣氣淬壓力為2bar時，除沖擊吸收能量不滿足ＧＢ／Ｔ2965技術要求外，其他技術指標均滿足要求；固溶處理氬氣氣淬壓力為4bar時，各項力學性能均滿足技術要求；固溶處理氬氣氣淬壓力為6bar時，除洛氏硬度外，其他力學性能均滿足技術要求，但是其強度相比4bar時下降較多，這與該條件下的微觀組織有關。隨著固溶處理氬氣氣淬壓力的增加，合金的抗拉強度先小幅增加后降低，伸長率、斷面收縮率和沖擊吸收能量增加，硬度則先升高后降低。

TC4鈦合金力學性能的變化與合金熱處理后的微觀組織密切相關。從圖2和圖3的顯微組織可得，固溶處理氬氣氣淬壓力2bar下，α相的平均寬度較小，β相的平均寬度較大，α相和β相的平均長度較長，并且β相的體積分數相對較高，導致其強度、塑性硬度均滿足技術要求，但韌性略低，不滿足技術要求；固溶處理氬氣氣淬壓力4bar下，α相的寬度和β相的體積分數與固溶處理氬氣氣淬壓力2bar相比較均有增加，β相的寬度、α相和β相的平均長度相比則有所減少，其綜合力學性能最好；固溶處理氬氣氣淬壓力6bar下，α相和β相的平均寬度相比固溶處理氬氣氣淬壓力4bar則有小幅增加，α相的平均長度最大，β相的平均長度最小，但是β相的體積分數則相比固溶處理氬氣氣淬壓力2bar和4bar時下降較多，據文獻[15-16]報道，一般來說鈦合金中α相數量越多或α相片層間距越大，其抗拉強度和硬度越低，這也是導致其力學性能降低的原因。此外，由表2和圖3還可得，固溶處理氬氣氣淬壓力6bar下的塑性和韌性是三者中最好的，這可能與β相的平均寬度和平均長度較小有關。

對TC4鈦合金固溶處理和時效處理后拉伸試樣和沖擊試樣的斷口形貌進行觀察分析。圖5為ＴＣ4鈦合金經固溶處理后不同氣淬壓力＋相同時效處理后的拉伸斷口形貌。由圖5可知，當固溶處理氬氣氣淬壓力為2bar時，拉伸試樣斷口主要呈韌性斷裂和脆性斷裂的混合特征，中心位置的韌窩較大，深度較淺，呈現韌性斷裂的特征，中心部分區域出現河流狀花樣，呈現脆性斷裂特征。從力學性能上看，其伸長率和斷面收縮率較低。當固溶處理氬氣氣淬壓力為4bar時，斷口主要呈現韌性斷裂的特征，拉伸試樣斷口中心位置韌窩較小，深度較淺，中心其他區域韌窩不均勻，有較大較深的韌窩也有較小較淺的韌窩，其伸長率和斷面收縮率比固溶處理氬氣氣淬壓力2bar時的要高。當固溶處理氬氣氣淬壓力為6bar時，拉伸試樣斷口主要呈現典型的韌性斷裂特征，斷口中心位置纖維區韌窩特征非常明顯，韌窩的尺寸和深度比較均勻，韌窩深度相比固溶處理氬氣氣淬壓力為2bar和4bar的要深，從表2的力學性能數據來看，其伸長率和斷面收縮率在3個不同氣淬壓力下最高。

圖6為TC4鈦合金不同固溶處理氬氣氣淬壓力下的沖擊斷口形貌。由圖6可知，當固溶處理氬氣氣淬壓力為2bar時，沖擊試樣斷口主要呈韌性斷裂特征，韌窩分布不均勻，韌窩的尺寸差異很大且較淺，由表2的力學性能數據可知，其沖擊吸收能量較低。當固溶處理氬氣氣淬壓力為4bar時，沖擊試樣斷口呈典型的韌性斷裂特征，斷口中心區域尺寸較大、較深的韌窩周圍存在許多細小的韌窩，其沖擊吸收能量相比固溶處理氬氣氣淬壓力2bar的高。當固溶處理氬氣氣淬壓力為6bar時，沖擊試樣斷口也呈典型的韌性斷裂特征，中心部分區域是尺寸較大的韌窩，部分區域是尺寸較小的韌窩，韌窩的深度也不均勻，但相比固溶處理氬氣氣淬壓力為2bar和4bar的韌窩均勻性較好，其沖擊吸收能量最高。

3、結論

1）TC4鈦合金經過955℃×1ｈ固溶處理和550℃×5ｈ時效處理后，隨著固溶處理氬氣氣淬壓力的增加，時效處理后α相呈粗化趨勢，細長α相的平均寬度逐漸增大，α相的平均長度先微降后增加，其在組織中的占比先減小后增加，針狀β相的平均寬度則先減小后增大，β相的平均長度則逐漸減小，β相在組織中的占比則先增加后減小。

2）隨固溶處理氬氣氣淬壓力的增加，合金的抗拉強度先增加后降低，伸長率、斷面收縮率、沖擊性能增大，硬度則先升高后降低，當固溶處理氬氣氣淬壓力為4bar時，其綜合力學性能最好，此時合金組織中的β相的體積分數最高，α相和β相的寬度較小。

3）固溶處理氬氣氣淬壓力為2bar時，拉伸試樣斷口主要呈韌性斷裂和脆性斷裂的混合特征，當固溶處理氬氣氣淬壓力為4和6bar時，拉伸試樣斷口都呈韌性斷裂特征，固溶處理氬氣氣淬壓力為2、4和6bar時，沖擊試樣斷口均呈現韌性斷裂特征。

參考文獻：

[1]楊文瀑.鈦合金抗高溫氧化涂層的制備及性能研究[Ｄ].廣州：廣東工業大學，2016.

[2]魯媛媛，馬保飛，劉源仁.時效處理對TC4鈦合金微觀組織和力學性能的影響[Ｊ].金屬熱處理，2019，44（７）：34-38.

ＬｕＹｕａｎｙｕａｎ，ＭａＢａｏｆｅｉ，ＬｉｕＹｕａｎｒｅｎ.ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆａｇｉｎｇｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒTiｅｓｏｆTC4Tiｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙ[Ｊ].ＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔｏｆＭｅｔａｌｓ，2019，44（７）：34-38.

[3]任馳強，丁一明，李佳佳，等.固溶-時效對TC4鈦合金顯微組織和力學性能的影響[Ｊ].湖南有色金屬，2022，38（2）：44-46，55.

ＲｅｎＣｈｉｑｉａｎｇ，ＤｉｎｇＹｉｍｉｎｇ，ＬｉＪｉａｊｉａ，ｅｔａｌ.ＥｆｆｅｃｔｏｆｓｏｌｕTiｏｎ-ａｇｉｎｇｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒTiｅｓｏｆTC4Tiｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙ[Ｊ].ＨｕｎａｎＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓ，2022，38（2）：44-46，55.

[4]李　露.固溶時效對TC4合金組織與機械性能的影響[Ｊ].特鋼技術，2014，20（1）：29-31.

ＬｉＬｕ.ＥｆｆｅｃｔｏｆｓｏｌｕTiｏｎｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄａｇｉｎｇｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒTiｅｓｏｆTC4ａｌｌｏｙ[Ｊ].ＳｐｅｃｉａｌＳｔｅｅｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，2014，20（1）：29-31.

[5]譚國寅，吳云峰，楊　鋼，等.固溶時效工藝對TC4鈦合金沖擊性能的影響[Ｊ].鑄造技術，2016，3７（5）：902-903.

ＴａｎＧｕｏｙｉｎ，ＷｕＹｕｎｆｅｎｇ，ＹａｎｇＧａｎｇ，ｅｔａｌ.ＥｆｆｅｃｔｏｆｓｏｌｕTiｏｎａｇｉｎｇｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｎｉｍPaｃｔｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆTC4Tiｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙ[Ｊ].ＦｏｕｎｄｒｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，2016，3７（5）：902-903.

[6]徐　堅，王文焱，張豪胤，等.固溶時效工藝對TC4鈦合金組織及性能的影響[Ｊ].粉末冶金工業，2014，24（5）：29-32.

ＸｕＪｉａｎ，ＷａｎｇＷｅｎｙａｎ，ＺｈａｎｇＨａｏｙｉｎ，ｅｔａｌ.ＥｆｆｅｃｔｏｆｓｏｌｕTiｏｎａｇｉｎｇｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒTiｅｓｏｆTC4Tiｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙ[Ｊ].ＰｏｗｄｅｒＭｅｔａｌｌｕｒｇｙＩｎｄｕｓｔｒｙ，2014，24（5）：29-32.

[７]吳　晨，馬保飛，肖松濤，等.航天緊固件用TC4鈦合金棒材固溶時效后的組織與性能[Ｊ].金屬熱處理，2021，46（11）：166-169.

ＷｕＣｈｅｎ，ＭａＢａｏｆｅｉ，ＸｉａｏＳｏｎｇｔａｏ，ｅｔａｌ.ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒTiｅｓｏｆTC4TiｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙbarｆｏｒａｅｒｏｓPaｃｅｆａｓｔｅｎｅｒｓａｆｔｅｒｓｏｌｉｄｓｏｌｕTiｏｎｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄａｇｉｎｇ[Ｊ].ＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔｏｆＭｅｔａｌｓ，2021，46（11）：166-169.

[8]胡生雙，肖　君，趙　虎，等.固溶冷卻方式對ＴＢ15鈦合金組織和力學性能的影響[Ｊ].金屬熱處理，2022，4７（10）：160-163.

ＨｕＳｈｅｎｇｓｈｕａｎｇ，ＸｉａｏＪｕｎ，ＺｈａｏＨｕ，ｅｔａｌ.ＥｆｆｅｃｔｏｆｓｏｌｕTiｏｎｃｏｏｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒTiｅｓｏｆＴＢ15Tiｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙ[Ｊ].ＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔｏｆＭｅｔａｌｓ，2022，4７（10）：160-163.

[9]周　偉，葛　鵬，趙永慶，等.一種新型β鈦合金不同固溶冷卻條件下初生α相演變行為研究[Ｊ].鈦工業進展，2016，33（4）：22-25.

ＺｈｏｕＷｅｉ，ＧｅＰｅｎｇ，ＺｈａｏＹｏｎｇｑｉｎｇ，ｅｔａｌ.ＳｔｕｄｙｏｆｐｒｉｍａｒｙαｐｈａｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａTiｏｎｉｎａｎｅｗｂｅｔａTiｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｏｌｉｎｇｃｏｎｄｉTiｏｎｓ[Ｊ].TiｔａｎｉｕｍＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｏｇｒｅｓｓ，2016，33（4）：22-25.

[10]趙彥蕾，李伯龍，朱知壽，等.熱處理溫度對ＴＣ21鈦合金微觀組織的影響[Ｊ].材料熱處理學報，2011，32（1）：14-18.

ＺｈａｏＹａｎｌｅｉ，ＬｉＢｏｌｏｎｇ，ＺｈｕＺｈｉｓｈｏｕ，ｅｔａｌ.ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＴＣ21Tiｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙ[Ｊ].ＴｒａｎｓａｃTiｏｎｓｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔ，2011，32（1）：14-18.

[11]張穎楠，趙永慶，曲恒磊，等.熱處理對ＴＣ21合金顯微組織和室溫拉伸性能的影響[Ｊ].稀有金屬，2004，28（1）：34-38.

ＺｈａｎｇＹｉｎｇｎａｎ，ＺｈａｏＹｏｎｇｑｉｎｇ，ＱｕＨｅｎｇｌｅｉ，ｅｔａｌ.ＥｆｆｅｃｔｏｆｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒTiｅｓｏｆＴＣ21ａｌｌｏｙ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＲａｒｅＭｅｔａｌｓ，2004，28（1）：34-38.

[12]丁　燦，汪常亮，李　峰，等.固溶-冷速-時效對ＴＣ4-ＤＴ合金顯微組織和力學性能的影響[Ｊ].稀有金屬材料與工程，2020，49（3）：963-96７.

ＤｉｎｇＣａｎ，ＷａｎｇＣｈａｎｇｌｉａｎｇ，ＬｉＦｅｎｇ，ｅｔａｌ.ＥｆｆｅｃｔｓｏｆｓｏｌｉｄｓｏｌｕTiｏｎ，ｃｏｏｌｉｎｇｒａｔｅｓａｎｄａｇｉｎｇｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒTiｅｓｏｆＴＣ4-ＤＴａｌｌｏｙ[Ｊ].ＲａｒｅＭｅｔａｌＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，2020，49（3）：963-96７.

[13]王悔改，冷文才，李雙曉，等.熱處理工藝對TC4鈦合金組織和性能的影響[Ｊ].熱加工工藝，2011，40（10）：181-183.

ＷａｎｇＨｕｉｇａｉ，ＬｅｎｇＷｅｎｃａｉ，ＬｉＳｈｕａｎｇｘｉａｏ，ｅｔａｌ.ＥｆｆｅｃｔｓｏｆｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒTiｅｓｏｆTC4ａｌｌｏｙ[Ｊ].ＨｏｔＷｏｒｋｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，2011，40（10）：181-183.

[14]許世嬌，權純逸，楊　堃.固溶溫度和時效處理對TC4顯微組織和硬度的影響[Ｊ].科技尚品，2021，12：13-15.

[15]徐智嬴，李忠文，于治水.熱處理對Ti4822合金顯微組織和硬度的影響[Ｊ].熱處理，2022，3７（6）：23-26，32.

ＸｕＺｈｉｙｉｎｇ，ＬｉＺｈｏｎｇｗｅｎ，ＹｕＺｈｉｓｈｕｉ.ＥｆｆｅｃｔｏｆｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｈａｒｄｎｅｓｓｏｆTi4822ａｌｌｏｙ[Ｊ].ＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔ，2022，3７（6）：23-26，32.

[16]ＤｕｗｅｚＰ.Ｅｆｆｅｃｔｏｆｒａｔｅｏｆｃｏｏｌｉｎｇｏｎｔｈｅａｌｐｈａ-ｂｅｔａｔｒａｎｓｆｏｒｍａTiｏｎｉｎTiｔａｎｉｕｍａｎｄTiｔａｎｉｕｍ-ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍａｌｌｏｙｓ[Ｊ].ＪＯＭ，1951，3：７65-７７1．

相關鏈接