鈦合金的性能與它的微觀組織形貌有著密不可分的聯系，其常見的顯微組織主要有4種:等軸組織、網籃狀組織、雙態組織和魏氏組織［1-2］。而微觀組織取決于熱處理工藝，因此，研究鈦合金熱處理工藝對組織性能的影響具有重要意義［3］。

目前關于鈦合金熱處理的研究主要是淬火過程中發生的同素異構轉變，而根據冷卻速度和合金成分的不同，發生的主要相變有:β→α'、β→α、β→α″、β→ω［4-5］。Malinov等 ［6］發現Ti-6Al-4V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si等鈦合金在不同的熱處理條件下(鍛態、爐冷、水冷、水冷后時效)，合金中α、α'、α″和β相的量各不同。Ahmed等 ［7］研究了不同冷卻速度對Ti6Al4V鈦合金相變的影響，得到不同冷速下的組織，研究發現冷速為410～525℃/s時，只發生馬氏體轉變;冷速為20～410℃/s時，發生塊狀轉變，為馬氏體α'和塊狀α的混合組織;黃輝等［8］應用高溫形變熱處理技術研究了熱處理工藝對TC4鈦合金顯微組織和力學性能的影響，結果表明TC4鈦合金經不同的形變量淬火后得到的介穩組織均為α+α'相，α'相呈針狀，形變量越大，針狀α'相越細。曾衛東等［9］研究了TC11鈦合金經β區加工后不同冷卻方式(水冷、油冷、空冷和爐冷等)對顯微組織和力學性能的影響，發現水冷可以減少晶界α相的析出，晶內得到短、細和無規則排列的針狀α相;空冷和爐冷條件下，晶界α連續完整，并有大塊α析出。本文報道了TC4鈦合金在不同保溫溫度和冷卻速度下的顯微組織。

1、試驗材料與方法

試驗材料為退火態TC4厚板，化學成分如表1所示。

試樣尺寸為10mm×10mm×5mm。將4組試樣分別在970、1020、1100和1200℃保溫30min，然后進行爐冷、空冷、油冷和水冷。熱處理設備采用高溫箱式電阻爐。

試樣熱處理后，經過鑲樣、磨樣、拋光、腐蝕制備成金相試樣，金相樣品腐蝕劑為HF∶HNO₃∶H₂O=1∶4∶45。采用AxioPlan2型金相顯微鏡觀察試樣組織形貌;采用NaNo400場發射掃描電鏡觀察高倍顯微組織。

2、試驗結果與分析

2.1組織分析

圖1所示為TC4鈦合金970℃下保溫30min后，分別在爐冷、空冷、油冷和水冷下的顯微組織。可以看出，爐冷組織為等軸狀α相，晶界處有少量的β相，見圖1(a);空冷組織為等軸狀初生α相和針狀β相，初生α相呈發亮的顆粒，而β相發暗，見圖1(b);油冷和水冷組織均為針狀α'馬氏體和片狀α相，見圖1(c，d)。

圖2為TC4鈦合金在1020℃下保溫30min后，分別在爐冷、空冷、油冷和水冷下的顯微組織。爐冷顯微組織如圖2(a)所示，晶界α相隨著溫度的緩慢降低而變厚，同時晶內α相由短變長，由窄變寬，其組織排列緊密且粗大;空冷組織為粗短的α相組織，包括厚且連續的晶界α相和晶內沿一定慣習面析出的相互平行的α相集束，如圖2(b);圖2(c)為油冷組織，α相晶界粗厚且連續，由于冷卻時有一定過冷度，生成少量針狀馬氏體;水冷組織為細針狀α'相，并且隱約可見原始β相晶界，如圖2(d)，這是由于高溫β相的析出在較快的冷速下來不及進行，晶內β相以切變方式轉變為淬火馬氏體，在熱處理時分解為細密且位向無規則的細針狀α'相。由此可見，不同冷卻速度對顯微組織有顯著的影響。

圖3和圖4分別為TC4鈦合金在1100℃和1200℃下保溫30min后，在爐冷、空冷、油冷和水冷下的顯微組織。這兩種溫度下不同冷速對組織影響的整體變化趨勢與圖2相似。隨保溫溫度的升高，爐冷和空冷組織有變粗大的趨勢。在1200℃下保溫后空冷時，得到粗大的α相組織。水冷時均得到馬氏體組織，馬氏體組織大小受保溫溫度變化影響較小。

比較圖1～圖4可以看出，TC4鈦合金在970℃下保溫，由于溫度稍低于β相轉變溫度，只有少量α相轉變為β相，因此爐冷時可以得到細小的等軸狀α相和晶界處少量的β相;在快冷時β相來不及轉變為α相，原始β相晶界被破壞但隱約可見，片狀α相沿晶界向晶內生長，針狀馬氏體在晶內生長，短小并無規則排列。

保溫溫度升高到相轉變溫度以上，爐冷時由于溫度緩慢降低，晶界α越來越厚，晶內α由短變長，由窄變寬，組織變得更粗大;水冷時，由于冷速快，高溫β相析出過程來不及進行，導致原始β晶界隱約可見，晶內β相以無擴散的切變方式轉變為淬火馬氏體，在熱處理時分解為細密且位向無規則的細針狀α'相，且隨著保溫溫度升高，針狀馬氏體增多。

圖5為TC4鈦合金970℃下保溫30min后，爐冷和水淬下的SEM形貌，爐冷組織為細小均勻的等軸狀晶粒，如圖5(a);水冷組織為初生α相、片狀α相和針狀α'馬氏體的混合組織，如圖5(b)。圖6為TC4鈦合金在1200℃下保溫30min后，經爐冷和水淬后的SEM形貌，爐冷組織為粗大的片狀α相，排列緊密，如圖6(a);水冷組織為針狀α'相馬氏體組織，如圖6(b)。

對比圖5和圖6可知，當加熱溫度為970℃時，稍低于相變溫度，爐冷時晶粒比較細小，隨著加熱溫度的升高，當高于相轉變溫度時，引起β相晶粒急劇長大，爐冷組織為粗大的α相;水冷淬火后的組織中，α'馬氏體量隨著保溫溫度升高而增加，與顯微組織趨勢一致。

2.2硬度分析

采用HV-50維氏硬度計測量熱處理試樣的硬度，加載載荷98N，持續時間20s，每個試樣上取4個點，記錄并取其平均值。圖7為TC4鈦合金在不同溫度保溫后爐冷、空冷、油冷和水冷下的硬度分布。可知，硬度隨著冷速的增加而變大。在相轉變溫度以上，保溫溫度對硬度沒有明顯的影響，相差不大;但970℃保溫時，由于溫度低于相轉變溫度，冷卻后的硬度值較低。

3、結論

1)TC4鈦合金在970℃進行保溫，α相并沒有完全轉變為β相，爐冷組織為等軸狀α相，晶界處有少量的β相;空冷組織為初生α相和針狀β相;油冷和水冷組織均為針狀馬氏體α'相和片狀α相。

2)TC4鈦合金在1020℃進行保溫后，爐冷組織為排列緊密且粗大的α相，空冷組織為粗短的α相，油冷組織為α相和少量針狀馬氏體α'相，水冷組織為 細針狀α'相。隨保溫溫度升高至1100℃、1200℃，爐冷和空冷組織有變粗大的趨勢。水冷時均得到馬氏體組織，馬氏體組織大小受保溫溫度變化影響較小。

3)TC4鈦合金的硬度隨著熱處理冷速的增加而變大。在低于相轉變溫度(970℃)保溫冷卻后的硬度值比較低;在1020℃以上保溫時，溫度對硬度沒有明顯的影響，相差不大。

參考文獻:

［1］Gil F J，Ginebra M P，Manero J M． Formation of α-Widmanst-ttenstructure: effects of grain size and cooling rate on the Widmanst-ttenmorphologies and on the mechanical properties in Ti6Al4V alloy［J］．Journal of Alloys and Compounds，2001，392(1 /2): 142-152．

［2］辛社偉，趙永慶，曾衛東． 鈦合金固態相變的歸納與討論( Ⅲ)—常用檢測方法［J］． 鈦工業進展，2008，25(3): 26-33．

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［4］張喜燕，趙永慶，白晨光． 鈦合金及應用［M］． 北京: 化學工業出版社，2005．

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［7］Ahmed T，Ｒack H J． Phase transformations during cooling in α + βtitanium alloys［J］． Materials Science and Engineering A，1998，243(1 /2): 206-211．

［8］黃輝． 高溫形變熱處理對 TC4 鈦合金組織與性能的影響［J］． 光學精密工程，1996，4(4): 48-52．

［9］曾衛東，周義剛． 冷速對 TC11 合金 β 加工顯微組織和力學性能的影響［J］． 金屬學報，2002，38(12): 1273-1276．

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