發布日期：2025-9-29 10:16:33
引言
鈦及鈦合金因其獨特性能，在諸多工程技術領域中占據重要地位。隨著科技的發展，其應用領域還將繼續拓展 [1-2]。例如，鈦合金的輕量化特性對航空航天工業至關重要，用于制造飛機結構件、發動機部件等，以提升飛行性能和燃油效率；在核能和清潔能源領域，鈦合金的耐高溫和耐腐蝕性使其在熱交換器和燃料電池等的制造方面具有應用價值；在建筑設計中，鈦合金可用于制作輕質且高強度的結構器件，如高層建筑的支撐結構件 [3-4]。
目前，盡管已有大量科研人員對 TC6 鈦合金熱處理工藝進行了相關研究，但研究方向主要集中于退火工藝和固溶時效 2 種熱處理工藝 [5-7]。雖然這 2 種工藝對改善鈦合金的性能具有顯著效果，但在實際應用中，需發掘更多的熱處理工藝，以滿足更多場景的使用需求。因此，對 TC6 鈦合金開展更全面的熱處理工藝研究非常必要。
本文將 TC6 鈦合金分別加熱至兩相區和單相區溫度，保溫后進行爐冷處理，旨在研究加熱溫度對爐冷后 TC6 鈦合金顯微組織和拉伸性能的影響，以便更全面地了解 TC6 合金的性能特點，為其工業應用拓展提供依據。
1、試驗材料與方法
試驗材料為 Φ110 mm 的 TC6 鈦合金試棒，化學成分 (質量分數) 為 6.16% Al、2.54% Mo、1.58% Cr、1.20% Fe、0.16% Si、0.10% O，采用金相法測定該合金的相變溫度為 993 ℃。將試棒分別加熱至 940、960、980 ℃(兩相區溫度) 及 1000 ℃(單相區溫度)，保溫 2 h 后進行爐冷處理。
加熱和爐冷處理后，采用 OptoLED 光學顯微鏡和 Phenom Pharos G2 臺式場發射掃描電子顯微鏡進行金相檢驗，利用 GNT-100 萬能拉伸試驗機進行拉伸試驗，檢測試棒的縱向微觀組織和拉伸性能。
2、試驗結果與分析
2.1 微觀組織
TC6 合金加熱至不同溫度保溫后爐冷的顯微組織如圖 1 所示。經 940 ℃爐冷時，合金組織具有典型的等軸組織形貌如圖 1 (a) 所示，組織中包含初生 α 相與次生 α 相，其中初生 α 相以等軸形貌為主，并伴有片狀形貌，次生 α 相則以片狀形貌為主。經 960 ℃爐冷的合金為雙態組織如圖 1 (b) 所示，此時的組織形貌發生變化，次生 α 相含量增加，初生 α 相含量減少。經 980 ℃爐冷的合金同樣為雙態組織如圖 1 (c) 所示，相較于 960 ℃爐冷的組織，其初生 α 相含量進一步降低，而次生 α 相不僅含量增加，尺寸也有所增大。經 1000 ℃(單相區溫度) 爐冷合金的顯微組織如圖 1 (d) 所示，其中存在大量 α 相和粗大 β 相，初生 α 相消失。
由于鈦合金存在相變點，在加熱過程中組織會發生相變，即 α 相轉變為 β 相。加熱溫度越高，相變越充分，α 相轉變為 β 相的比例越高，組織中 α 相含量隨之減少。當合金在單相區溫度加熱時，組織中的 α 相完全轉變為 β 相 [8]。在加熱結束后，隨著合金的冷卻，β 相再次發生轉變，生成次生 α 相。這是因為在冷卻過程中，原子活動能力減弱，β 相的原子結構重新排列組合，形成穩定的 α 相。此外，加熱溫度和爐冷時間對次生 α 相的形成和生長具有顯著影響，較高的加熱溫度和較長的爐冷時間有助于次生 α 相長大。尤其是在加熱溫度達到單相區時，冷卻過程中形成的次生 α 相尺寸較粗大，晶界處也會形成 α 相，最終形成束狀 α 相 [9]。
2.2 織構分析
TC6 合金加熱至不同溫度保溫后的爐冷反極圖如圖 2 所示。由圖 2 可知，經兩相區溫度爐冷的合金組織中存在平行于 <10-10> 方向的織構如圖 2 (a)~ 圖 2 (c) 所示，且隨著加熱溫度的升高，織構密度逐漸增大。經單相區溫度爐冷的合金組織中也存在明顯的織構，其與 < 11-20 > 方向平行，如圖 2 (d) 所示。
加熱溫度較低的 TC6 合金晶體通常為隨機取向，因此織構強度較低；加熱溫度較高的合金晶體結構發生改變，晶體取向也隨之變化，織構強度提高。在單相區溫度加熱的合金晶粒長大速度加快，晶體結構無序化程度增大，從而形成新的織構 [4]。
2.3 拉伸性能
TC6 鈦合金經不同溫度爐冷后的拉伸性能如圖 3 所示，可見合金強度隨著爐冷卻溫度的升高而提高，塑性則逐漸降低，強度與塑性呈現相反的變化趨勢。經 940 ℃爐冷時，合金塑性最好，斷后伸長率 A 為26%，斷面收縮率 Z 為4%；經 1000 ℃爐冷時，TC6 鈦合金強度最高，抗拉強度Rm為1190MPa，屈服強度Rp0.2為 1050MPa。
當爐冷卻溫度較低時，合金微觀組織中初生 α 相含量較高。在拉伸過程中，初生 α 相能夠激活更多的滑移系，且有助于分散應力，從而提升合金的整體協調性，使合金表現出良好的塑性性能 [10]。當隨爐冷卻溫度升高時，合金微觀組織中初生 α 相含量逐漸減少，次生 α 相含量則逐漸增加。初生 α 相含量的減少會導致合金協調性下降，進而降低合金塑性；當初生 α 相完全消失時，組織的協調性會大幅降低，塑性明顯下降。次生 α 相在拉伸過程中會阻礙組織中的滑移，導致位錯在組織中堆積，需施加更大的外應力才能使位錯滑移，使得合金強度得以提升 [11]。由圖 2、圖 3 可知，隨著爐冷溫度的升高，合金組織中的織構發生明顯變化；隨爐冷卻溫度處于兩相區時，平行于 < 10-10 > 方向的織構會使合金呈現低強度、高塑性的特點，且隨著織構密度的增加，該趨勢愈發明顯；隨爐冷卻溫度處于單相區時，組織中織構平行于 < 11-20 > 方向，此時合金強度較高，但塑性較低。
3、結論
(1) 隨著爐冷溫度的升高，TC6 鈦合金中初生 α 相含量不斷減少直至消失，次生 α 相含量增加且尺寸增大，最終形成大量 α 集束，并出現晶界 α 相。
(2) 經兩相區溫度爐冷的 TC6 合金組織中，存在平行于 < 10-10 > 方向的織構；經單相區溫度爐冷的合金組織中，織構平行于 < 11-20 > 方向。
(3) 隨著爐冷溫度的升高，TC6 鈦合金的強度提高、塑性降低，強度與塑性呈現相反的變化趨勢。
參考文獻
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（注，原文標題：從不同溫度爐冷的TC6鈦合金的顯微組織和拉伸性能）
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