近α型鈦合金熱處理工藝的研究進展

陳美旭，趙作福，袁 輝，梁 雨，許園標

近α型鈦合金熱處理工藝的研究進展

陳美旭，趙作福，袁 輝，梁 雨，許園標

（遼寧工業大學 材料科學與工程學院遼寧 錦州 121001）

綜述了近α型鈦合金熱處理工藝的研究現狀，從退火處理和固溶時效角度出發，詳細闡述了加熱溫度、保溫時間、冷卻速度等熱處理工藝參數對組織性能的影響。通過改變熱處理參數，可有效改變近α型鈦合金的顯微組織和相組成，進而改善鈦合金的綜合性能，以此來滿足實際生產需求，并對近α型鈦合金工業化應用進行了展望。

近α型鈦合金；退火處理；固溶時效；組織和性能

近年來，隨著世界各國對化工、海洋開發、石油行業、船舶運輸等行業投入的不斷加大，使得鈦合金的用量需求不斷攀升，其中近α型鈦合金因具有良好的高溫力學性能、抗蠕變及耐腐蝕性能受到了科研工作者們的持續關注[1-4]。幾十年來，國內外學者對近α型鈦合金退火處理工藝進行不斷的更新和改進，使其熱處理工藝得到進一步完善。通過改變熱處理參數，如加熱溫度、冷卻速度等，來改變鈦合金微觀結構[5-6]，進而改善其綜合性能。本文主要對近α型鈦合金熱處理工藝的整理和熱處理后合金綜合性能進行了歸納和總結，為提高其在工業生產方面的應用，增加數據支持提供借鑒和參考。

1 退火處理對近α型鈦合金板材組織和性能的影響

1.1 去應力退火

鈦合金經過加工變形后會產生應力應變，因此需先進行去應力退火處理，消除內應力，才能進行下一道工序[7-9]。該過程主要發生回復過程，強度下降，塑性升高，能有效改善合金綜合性能。2019年，黃定輝等[10]研究退火溫度對TA15鈦合金鍛件組織性能的影響，采用真空去應力退火（580、610、640 ℃）×360 min爐冷至80 ℃后空冷。結果表明，去應力退火處理后該合金組織為雙相組織。當退火工藝經580 ℃×6 h爐冷至80 ℃空冷處理后，TA15鈦合金鍛件的抗拉強度為980 MPa，伸長率為16%，斷面收縮率為44%，合金性能得到明顯改善。田程等[11]對TA15采用12組不同退火工藝處理，得出在再結晶溫度（800 ℃左右）以下時主要發生回復過程，顯微組織與原始組織無太大區別，其強度塑性變化不明顯。隨退火溫度的升高，初生α相開始減少，次生α相開始增多，且隨溫度接近相變點時，次生α相由長條狀長成短棒狀。

2021年，王田等[12]采用6種不同的退火工藝（600、640、680、720、760、800 ℃）×1 h/AC對TA10鈦合金板材進行處理，并在室溫下對縱、橫向的強度塑性進行對比。研究結果表明，當溫度在600～800 ℃范圍內，鈦合金板材的縱、橫向抗拉強度均隨溫度的增加呈先下降后上升趨勢，而伸長率變化與之相反，在760 ℃時，縱、橫向抗拉強度值最優，分別為554、555 MPa，伸長率均為28%。華瑤[13]在研究熱處理制度對Ti80鈦合金棒材組織和性能的影響時，得出不同熱處理工藝后的顯微組織，如圖1所示。當普通退火700～850 ℃能有效提高塑性，降低強度。當熱處理參數為750 ℃×800 min/AC時，合金綜合性能較好，其抗拉強度為940 MPa，屈服強度為830 MPa，收縮率為27%，伸長率13%。

1.2 再結晶退火

2003年，張晶宇等[14]對TA15鈦合金采用3種工藝780～950 ℃×100 min/AC、930 ℃×100 min/AC+ 500～650 ℃/AC、810～850 ℃×100 min/AC+ 600 ℃×100 min/AC處理，研究結果表明，初生α相隨退火溫度的升高逐漸減少，細小的α相分布雜亂，其強化作用使得該合金的抗拉強度隨著溫度的升高而增加。當退火參數為930 ℃×100 min/AC一次退火+600 ℃×100 min/AC二次退火時，該合金抗拉強度為1050 MPa、斷面收縮率為40%、伸長率為15%。沙愛學等[15]對TA15鈦合金棒材和鍛件進行退火實驗，研究其性能和組織變化，通過實驗數據得出，在850 ℃以上退火時，彌散析出的次生α相起強化作用。當退火溫度為850 ℃時綜合性能最優，棒材抗拉強度達到1 040 MPa，鍛件抗拉強度達到1 030 MPa。2011年，虞忠良等[16]研究不同退火溫度（740、780、820、850、875、920 ℃）×1 h/AC對TA15鈦合金板三向硬度的影響。結果表明，硬度呈先下降后上升趨勢，當退火溫度超過850 ℃后，α相減少，β相增多，在冷卻過程中析出次生α相增多，合金強度硬度得到提高。當退火溫度為850 ℃時，1.2 mm厚板材維氏硬度降至最低（板面法向：35 HV，橫向：31 HV，軋制方向：31 HV）。張亞峰等[17]對TA16冷軋管材在不同溫度（600、650、700、750 ℃）×1 h進行退火處理，并充氬氣迅速冷卻。實驗結果表明，當退火溫度超過600 ℃后均為等軸組織，且隨溫度升高而逐漸長大。當退火溫度為700 ℃時，其伸長率達到28%，屈強比降至0.77，抗拉強度達到570 MPa，超過700 ℃后抗拉強度沒有顯著的變化。2015年，葛偉等[18]采用不同退火溫度（550、600、650、700、750、800 ℃）與不同退火時間（15、30、60、120、180min）相結合對TA10鈦合金板材進行退火處理。研究表明，在750 ℃×60 min時合金組織全部轉化為等軸α相，抗拉強度為565 MPa，伸長率為27.5%，當保溫時間超過60 min時，伸長率出現明顯下降，塑性降低；當退火溫度達到800 ℃時，出現部分組織變大，伸長率降至25%，抗拉強度變化不明顯。程帥朋等[19]將TA10鈦合金墩拔后進行（600、650、700、750 ℃）×1 h/AC退火處理。研究結果表明，經退火處理后，鈦合金組織出現再結晶現象，位錯密度減小，釋放畸變能，塑性上升強度下降，700 ℃×1 h/AC時達到最優，其抗拉強度為687 MPa、伸長率為22.5%、斷面收縮率為33.5%。

1.3 β退火

溫度達到相變點附近時進行退火，通過調節相組成來改變組織，以達到改善合金性能的目的。2009年，呂逸帆等[20]對TA15鈦合金退火工藝研究，實驗得到，當退火溫度達到700 ℃時，TA15鈦合金發生回復可完全消除內應力，到達相變點溫度（860～940 ℃）時，α相向β相轉變，冷卻析出大量針狀α相，抗拉強度達到1 060 MPa，當退火溫度為940 ℃時塑性最高，斷面收縮率達到48%，伸長率達到17.5%。田野等[21]將TA19鈦合金樣品進行不同溫度（900、950、975、1 000、1 050 ℃）×1 h/AC退火處理，研究退火溫度對晶粒度的影響。結果表明，晶粒在1 000 ℃以下增長緩慢，在1 000 ℃及以上時，晶粒長大明顯，且隨保溫時間延長，α相長大越明顯，抗拉強度隨著溫度升高開始迅速下降，當退火溫度為950℃時趨于穩定，溫度在800 ℃左右時斷面收縮率達到98%后基本保持不變，伸長率在950 ℃時達到最大值240%。2012張哲等[22]采用不同退火工藝（890、915、940、990、1 035℃）×1 h/AC，研究了TA19鈦合金組織性能的變化趨勢。實驗表明，隨退火溫度的升高，片狀α晶粒尺寸增大。退火工藝在965 ℃×1 h/AC處理得到最佳性能，其抗拉強度、伸長率和斷面收縮率分別為980 MPa、19%、40%。2014年，張杰等[23]采用不同退火工藝（750、800、850 ℃）×1 h/AC，對TA15鈦合金板材組織中兩相區（α+β）進行實驗，結果表明，當退火溫度為850 ℃時亞穩相β充分分解為次生α相，從而增加合金的強度，此時合金板材的橫向抗拉強度為985 MPa、縱向抗拉強度為975 MPa，橫、縱向抗拉強度基本接近，橫向伸長率為15.7%，縱向伸長率為16.5%，且隨溫度的升高橫縱差異逐漸減小。2021年，陳容[24]研究了熱軋態TA10鈦合金板材在不同退火工藝（600、650、700、750、800、850 ℃）×1 h/AC下，對其組織和性能的影響。結果表明，退火溫度為600～ 700 ℃時，主要發生回復再結晶，并在α相晶界處形成了一種硬脆金屬間化合物Ti2Ni顆粒，沿晶界分布顯著降低伸長率，此時抗拉強度、伸長率為和維氏硬度分別為379.1 MPa、17.5%、153 HV；溫度在750～850 ℃范圍內時，α相再結晶完成，β相由條狀轉變為塊狀；當退火溫度超過850 ℃時，β相轉變為針狀α相和β相，而Mo、Ni等元素在冷卻過程中發生固溶轉變，其硬度與基體存在較大差異致使合金力學性能下降，抗拉強度為229.6 MPa、伸長率為12.0%、維氏硬度為142 HV。

2 固溶時效對近α型鈦合金板材組織和性能的影響

通常鈦合金在固溶處理之后進行時效處理以達到強化合金的目的。近α型鈦合金固溶處理是將高溫相轉化為一系列的亞穩相，在后續的時效過程中，亞穩相將得到彌散相來強化合金，提高合金強度、硬度。其強化效果與組織中次生α相的體積分數與形態有著密切關系。細小的次生α相的沉淀作為晶格滑移路徑上的阻礙產生類似于彌散強化的效果可以有效提高合金的拉伸強度，而初生α相形態可影響鈦合金的延展性，細長狀的α相表現出較低的延展性[25-30]。

2.1 固溶處理

2008年，馮冉等[31]對Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si-Nb-Ta鈦合金在（1 010、1 025、1 030、1 035、1 040、1 045 ℃）×1 h固溶后，采用不同方式冷卻（水冷、空冷和爐冷），研究固溶溫度和冷卻速度對其性能組織的影響。結果表明，在相變點溫度（1 030～1 035 ℃）區間內發生（α+β）/β相轉變，顯微組織中β晶粒迅速長大，α相有著明顯球化趨勢，在β相區內進行固溶處理之后，可以觀察到其微觀組織從針狀馬氏體向網籃組織和魏氏組織并存狀態轉變，最終形成魏氏組織。采用快冷的方式，β→α相變主要為切變機制，不會出現“叉形”形貌，而緩慢冷卻相變主要由原子擴散機制控制，存在“叉形”形貌，且隨固溶溫度的升高“叉形”形貌更明顯。2017年，羅文忠等[32]在不同溫度下（1 060、1 040 ℃）對Ti60鈦合金進行固溶處理，研究其組織和性能。結果表明，在1 060 ℃和1 040 ℃溫度下進行固溶處理分別得到α′和（α+α′）組織，其中（+'）馬氏體組織殘留約10%的初生等軸α相，其中少量等軸α相提高了組織協調能力。室溫下，抗拉強度均超過1 000 MPa，當溫度為1 040 ℃時塑性較好，伸長率達到12.7%，斷面收縮率達到33%。2019年，陶歡等[33]對TA10合金棒材進行（750、800、850、900 ℃）×0.5 h水冷固溶+500 ℃×2 h空冷時效處理，并對其顯微組織與力學性能進行分析。結果發現，溫度達到相變點890 ℃后，由圖2可以看出，隨著熱處理溫度增加，初生α相不斷溶入β相中，β相變組織增多，合金的強度增大，塑性呈現先上升后下降的趨勢，當熱處理工藝為800 ℃×0.5 h水冷固溶+500 ℃×2 h空冷時效時，組織性能得到改善，其抗拉強度為510 MPa、屈服強度為377 MPa、伸長率為分別26.7%。

圖2 TA10鈦合金在不同固溶溫度下的顯微組織

2020年，周偉等[34]對高溫鈦合金TXG熱軋板材進行固溶處理，在β區（Tβ-10 ℃）固溶后，采用3種冷卻方式冷卻（空冷、油冷、水冷），在650 ℃時進行時效處理。研究表明，冷卻速度慢時，α相由合金元素擴散形式得到；冷卻速度較快時，次生α相來不及析出，顯微組織成分均為亞穩相α′相和α″相，對比分析得出采用油冷處理后熱軋板材綜合力學性能較好，抗拉強度為1 186 MPa、斷面收縮率為17%、伸長率為10%。

2.2 時效處理

2017年，張永強等[35]對TA19鈦合金采用5種不同熱處理參數（Tβ —10 ℃、Tβ —20 ℃、Tβ —30 ℃、Tβ —40 ℃、Tβ —50 ℃）×1 h風冷固溶+595℃×8 h空冷時效。結果表明，隨著固溶溫度升高，起始α相含量降低，β相組織轉變增加，強度下降，蠕變性能提高。其最好的熱處理工藝為（Tβ-10 ℃）×1 h/風冷固溶+595 ℃×8 h/空冷時效，該合金抗拉強度為1045 MPa，伸長率為16.5%，斷面收縮率為41.0%。2019年，周燁等[36]對TA19鈦合金固溶時效工藝進行改善，研究在不同熱處理參數（930、960、990 ℃）×2 h水冷固溶+（550、590、630 ℃）×8 h和16 h空冷時效，對該合金組織性能的影響。結果表明，熱處理參數在930 ℃×2 h固溶+590 ℃×8 h時效處理后，由于β相固溶不充分，存在厚片層狀α相，其抗拉強度和屈服強度均低于1 200 MPa，伸長率降至7.40%，斷面收縮率降至32.81%。當工藝參數為960 ℃×2 h固溶+590 ℃×8 h時效時，等軸α相轉變成顆粒狀α相，該合金抗拉強度達到1 257 MPa，屈服強度達到1 144 MPa，伸長率達到7.48%，斷面收縮率達到30.10%。2021年，孫鵬等[37]對一種近α型鈦合金Ti-5Al-2Nb-2Zr-1.5Mo進行960 ℃×1 h水冷固溶+（600、500、400 ℃）×4 h水冷時效處理，對試樣顯微組織與性能進行了分析。結果表明，隨著時效溫度增加，從圖3中可以看出次生α相會聚集長大，使合金性能有所下降。當熱處理工藝960 ℃×1 h水冷固溶+500 ℃×4 h時效時，合金維氏硬度最高達到374 HV，屈服強度為874 MPa，抗拉強度為982 MPa，斷面收縮率為18.6%，伸長率為6.1%。

圖3 經時效處理后的合金TEM顯微組織

3 結束語

主要介紹了熱處理中去應力退火、再結晶退火和β退火以及固溶時效處理對近α型鈦合金組織性能的研究現狀。指出了熱處理參數中退火溫度、固溶溫度、時效溫度、保溫時間和冷卻速度是影響近α型鈦合金組織性能的關鍵因素。大量實驗數據得出，當退火溫度低于相變點時，發生回復再結晶，合金強度硬度下降，塑性韌性上升，退火溫度達到相變點時，α相向β相轉變，冷卻析出大量針狀α相，使強度和硬度得到提高，塑性韌性下降。當固溶溫度高于相變點時，初生α相不斷溶入β相中，β相變組織增多，合金的強度增大，塑性呈現先上升后下降的趨勢。

通過調節熱處理參數，從微觀結構入手[38-40],使組織的成分、含量、形態、結構和分布位置等發生改變，可有效改善合金性能，以滿足生產生活的需求。目前為改善近α型鈦合金的組織性能，還需進一步完善熱處理制度，根據工業生產和生活應用的實際需求，應加強熱處理制度研發和實驗數據整理，結合國際先進標準，制定更優的鈦及鈦合金的熱處理標準，促進行業的發展。

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Research Progress of Heat Treatment Process of Near α Titanium Alloy

CHEN Mei-xu, ZHAO Zuo-fu, YUAN Hui, LIANG Yu, XU Yuan-biao

(School of Materials Science and Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China)

In this paper, the research status of heat treatment process for near α titanium alloy is summarized, and the effects on the microstructure and properties of heat treatment process parameters including heating temperature, holding time and cooling rate are expounded in detail from the perspective of annealing treatment and solution aging. By changing the heat treatment parameters, the microstructure and phase composition of near α titanium alloy can be effectively changed, and then the comprehensive properties of titanium alloy can be improved to meet the actual production requirements, and the industrial application of near α titanium alloy is predicted.

near α titanium alloy; annealing treatment; solution aging; microstructure and performance.

10.15916/j.issn1674-3261.2023.03.003

TG166.5

A

1674-3261(2023)03-0151-06

2023-01-31

國家自然科學基金項目(51601086)；遼寧省自然科學基金計劃面上項目(2022-MS-381)；國家級大學生創新創業訓練計劃項目(202210154004)

陳美旭(1999-)，男，云南曲靖人，本科生。

趙作福(1978-)，男，遼寧錦州人，教授級高級實驗師，博士。

責任編輯：孫 晶