1 鈦合金的顯微結構及力學性能

1.1 鈦合金的顯微結構

熱加工過程多種多樣的鈦合金，具有十分復雜的相變，其組織類型比較多，包括雙態組織、三態組織、等軸組織、網籃組織和魏氏組織。不同的顯微組織將具有不同的力學性能，組織決定性能。

1.2 鈦合金的力學性能

室溫下變形量可達到90%的碘化法鈦，其塑性很好。在77K 附近時都不發生脆斷，沖擊加工的缺口試樣。隨溫度的升高而升高的碘化法鈦的延伸率和斷面收縮率，抗拉強度和屈服強度隨溫度的升高而降低。鈦的雜質元素N、O、C 由大到小依次排列，均能提高鈦的抗拉強度而降低其塑性。H 含量達到0.012~0.015%（wt.%）的鈦合金中，力學性能試樣的沖擊急劇降低，其缺口敏感性大大增加，發生所謂的“氫脆”。除上述元素外，由強到弱依次為 Cr、Co、Nb、Mn、Fe、V、Sn 七種常用元素對鈦強度的影響，也可提高鈦合金的強度。與鋁、鎂合金相比，其強度比好些合金鋼還要高，鈦合金的強度是鎂合金的5 倍左右，鋁的2 倍多[6]。鈦合金卻變化很小，與室溫下的相比大大降低鎂、鋁合金673K 時的強度。約為鋼的一倍多的鈦合金彈性系數，普通鈦合金的抗拉強度為280MPa~1100MPa，當下所有應用的金屬材料中最高的鈦合金的比強度，抗拉強度可達1270MPa~1480MPa 的高強鈦合金。

2 實驗材料及實驗方法

2.1 實驗材料制備

通過真空自耗爐三次熔煉，按照Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe（wt.%）成分配料的TC18 鈦合金，化學成分為Ti-5.01Al-4.69Mo-5.14V-1.03Cr-1.06Fe（wt.%）實測。在890℃兩墩兩拔至Φ150mm 圓棒，1150℃六墩六拔開坯成Φ220mm 圓棒，一墩一拔成60×100×Lmm 坯料的810℃。測定合金的相變點通過金相法，溫度升高的熱處理，熱處理溫度值為840℃~860℃之間，逐漸減少合金中初生α 相的含量。當達到880℃以上熱處理溫度時，在870℃時有極少量的熱處理溫度初生α 相，等軸的β 形成晶粒組織，確定合金的相變點大約為875℃，初生α 相已完全消失。

2.2 實驗方法

（1）實驗熱處理方案

實驗熱處理方案采用β 區固溶主要為了研究TC18 鈦合金β 晶粒的長大規律，β 區固溶及 α+β 兩相區固溶+時效的熱處理制度，在1080℃、1130℃、1180℃加熱，熱處理制度分別保溫1、2、3、4h 后空冷，熱處理制度、目標組織和實驗目的合金。

（2）組織參數測量

開發的圖像分析軟件 Image-ProPlus（IPP）6.0，美國 MediaCybernetics 公司微觀組織參數，測量了初生α 相αp 體積分數 v1，次生 α 相 αs 厚度 D2、體積分數 v2，等效圓直徑法晶粒尺寸D。

3 熱處理后顯微組織和組成相特征參數的影響

TC18 鈦合金經過固溶時效處理后，取決熱加工工藝參數及熱處理后的顯微組織，很大程度合金的以上力學性能，具有強度、疲勞強度、韌性和抗裂紋擴展性能的良好匹配，各顯微組織及組成相的特征參數是影響合金力學性能的直接因素。通過熱處理溫度與顯微組織關系的研究，不同的熱處理制度組成相及特征參數的研究較少，時效溫度對合金組成相特征參數，不同的固溶通過大量的統計計算得出。對TC18 鈦合金顯微組織的影響規律，固溶時效及雙重熱處理溫度提供有力依據。TC18 鈦合金均由α 和β 兩相組成，在750~860℃之間進行固溶處理后。時效處理后亞穩β 相將發生分解，合金仍由α 和β 兩相組成，同時會造成合金元素的重新分布。

3.1 熱處理對顯微組織的影響

在時效前固溶溫度的升高，不同固溶溫度合金的掃描照片，等軸α 相的等效圓直徑變化不明顯，合金中初生等軸α 相的含量減少。在時效處理條件下，亞穩定β 相中將析出條狀的次生，不同固溶及時效溫度下合金的掃描顯微組織。固溶及時效溫度的變化，體積分數等也發生變化，析出的次生αs 相的厚度。在500℃時效條件下，在β 轉變基體中析出的次生αs 相的彌散程度增大，固溶溫度的升高。在780℃固溶條件下，由500℃時效后的細小彌散狀長成了經600℃時效后的長條狀，次生的αs 相開始長大，時效溫度的升高。

第一階段熱處理溫度在相變點溫度以下時，雙重熱處理制度下初生α 相的顯微組織，初生α 相呈短棒狀特征。當第二階段溫度降低時，為不規則的多邊形和短棒狀組織組成的混合組織，初生α 相的形態將發生變化。第一階段溫度在相變點以上，第二階段溫度在相變點以下時，晶界處長條狀α 相清晰可見，不同的顯微組織將具有不同的力學性能，組織決定性能晶內也由有一定趨向關系的長條狀α 相組成。

3.2 熱處理對β、α 相晶格參數的影響規律

TC18 鈦合金的XRD 譜，固溶溫度對α 和β 相晶格參數的影響規律，采用外推法計算出α 和β 相的晶格參數。時效前β 相晶格常數增加，隨固溶溫度的升高，c 值和c/a 均先增加然后減小，α 相的a 值基本保持不變；時效后固溶溫度的升高，相同時效條件下β 相的晶格常數減小，c 值和c/a 均減小，α 相的 a 值稍降；相同固溶條件下，α 相的 a 值、c 值和 c/a 均增加，β 相的晶格常數增加，隨時效溫度的升高。合金元素與鈦原子體積差異綜合作用的結果，合金元素在兩相中的分布改變，隨著熱處理溫度的變化。固溶處理時，TC18 鈦合金中的合金元素（Al、Mo、V、Cr、Fe）原子直徑均小于鈦原子直徑，會造成升高固溶溫度。使得兩相的晶格常數減小，α 和β 相中的α 穩定元素含量升高；使得兩相的晶格常數增加，β 穩定元素含量降低。對于β 相，造成了β 相的穩定性隨固溶溫度的升高而降低，β 相晶格常數隨固溶溫度的升高而增加，顯然β 穩定元素含量的減少對晶格常數的影響占據了主導地位。

對于α 相，β 穩定元素含量的減少對晶格常數的影響占據主導地位。較低溫度固溶時，α 穩定元素含量升高對晶格常數的影響占據主導地位。較高溫度固溶時，α 相的晶格常數出現了非單調變化，造成固溶時隨固溶溫度的升高。時效處理后，造成各相中的合金元素重新分布，亞穩β 相將發生分解。α相中則含有更低的β 穩定元素含量和更高的穩定元素含量，分解形成的新的β 相中含有更高的β 穩定元素含量和更低的。

4 熱處理后的特征參數對力學性能的影響

拉伸性能與固溶溫度的關系：

TC18 鈦合金室溫拉伸性能隨固溶溫度的變化曲線，合金的強度和面縮率呈下降趨勢，時效前隨著固溶溫度的升高，抗拉強度（Rm）約980MPa 下降至約900MPa。合金的延伸率（A）基本保持在15%左右，面縮率（Z）由約65%下降至約35%。在500℃時效時，合金的抗拉強度由約1370MPa 提高至約1700MPa，隨著固溶溫度的升高，合金的延伸率也由約10%下降至約4%，約50%降至約3%強度提高約330MPa 面縮率。550℃時效時，約55%下降至約20%強度提高約180MPa 面縮率，約1270MPa 提高至約1450MPa 合金的抗拉強度，延伸率由約10%下降至約5%。600℃時效時，面縮率由約60%下降至約37%，合金的抗拉強度由約1170MPa 提高至約1350MPa，延伸率由約13%下降至約10%。

5 結論

通過 TC18 鈦合金β 區固溶，采用β 區固溶及 α+β 兩相區固溶時效的熱處理制度，β 晶粒的長大規律及其熱力學動力學分析。固溶時效溫度及各組織參數對TC18 鈦合金性能的影響，α+β 兩相區固溶時效后，依據回歸方程對各組織參數和性能的關系進行預測，合金的強度均呈下降趨勢，αp 體積分數、αs 體積分數及厚度的增加，呈上升趨勢的塑性，對TC18鈦合金室溫力學性能的影響要大，αp 體積分數較αs 體積分數及厚度。