杨嘉珞 张明玉 岳 旭,3 同晓乐,3 王玉佳 杨 斌
（1、新疆湘润新材料科技有限公司，新疆 哈密 839000 2、大连交通大学 连续挤压教育部工程研究中心，辽宁 大连 116028 3、新疆钛基新材料重点实验室，新疆 哈密 839000）
1 概述
钛及钛合金的具备众多优异的综合性能，例如无磁性、良好的生物兼容性、耐腐蚀性、耐低温等，使得该合金在军工、医疗、航海、化工等大量领域均有广泛应用[1-2]。TA10 钛合金是由美国研究出的一直近α 型钛合金，该合金的名义成分为Ti-0.3Mo-0.8Ni，因为该合金含有Mo 元素和Ni 元素，导致该合金具有优异的耐腐蚀性，该合金因成本较低，可替代高成本的Ti-0.2Pd 合金，故其在化工领域的应用十分广泛[3-4]。
随着钛合金的应用越来越广泛，TA10 钛合金的应用领域不断增加，其研究也愈加多元化，苏娟华等[5]建立并分析了TA10 钛合金热加工图，发现了当增加应变时，流变失稳区以及峰值耗散效率因子都会体现出明显的规律改变，都是先降低后增加，同时流变失稳区会变为两个不同的失稳区。张朝晖等[6]研究了氢对TA10 合金焊接接头组织和性能的影响，结果表明：经过渗氢处理后的接头组织与原始组织相比，晶界变得更加模糊，组织存在大量点状和条状氢化物，接头处的硬度数值呈现出字母W 形变化趋势，硬度最高位置是焊核的中心区域，而硬度最低区域为热影响区，渗氢处显微硬度要高于原始态接头处。
因为TA10 合金的应用领域不断增加，导致对该合金的力学性能要求更高，而组织又是影响合金力学性能的关键，故本文研究不同冷却方式对TA10 合金的组织影响，进一步分析组织对力学性能的影响，对该合金的组织和力学性能关系作出进一步探索。
2 试验材料与方法
本试验选用的材料为直径为150 mm 的TA10 钛合金棒材，该合金由Mo-Ni 中间合金和海绵钛经过真空自耗熔炼炉（VAR）熔炼而成铸锭，并经多次锻造而成棒材，通过ICP 测得TA10 钛合金的具体化学成分为(质量分数，%)：0.29% Mo、0.76% Ni、0.06% O、0.073% Fe、Ti余量。该合金的相变点测试方法为连续升温金相法，测得该合金的相变点为890℃～895℃。TA10 合金棒材的原始微观组织如图1 所示，该组织由β 转变组织和初生α 相组成，而β 转变组织由次生α 相和残余β 相（黑色区域）组成。
图1 TA10 钛合金棒材原始金相组织
将TA10 钛合金棒材进行切割，随后根据相变点选取两相区温度820℃×2h 进行热处理，随后分别进行水冷（WQ）、空冷(AC)、炉冷(FC)处理，观察不同冷却方式处理后的TA10 钛合金微观组织，并进行维氏硬度和拉伸性能测试，其中硬度测试条件为HV5。采用KSL 型号的箱式电阻炉进行热处理，使用Axiouert 型号的光学显微镜观察微观组织，采用7MHVS 型号维氏硬度计测试硬度值，采用型号为LK-4 的电子万能拉伸机进行拉伸测试。
3 试验结果与分析
3.1 金相组织
图2 为经不同冷却方式处理后的金相组织，由图2可知，与原始组织相比较，合金经不同冷却方式处理后的金相组织发生较大变化，其中，经水冷处理后，组织中初生α 相含量明显较少，同时组织中出现非常明显的β 转变组织，并且析出大量的六方马氏体α'相，组织由等轴组织转变为双态组织。这是因为820℃为试验用TA10 钛合金的两相区温度，当合金加热到该温度后，组织中部分初生α 相发生溶解，导致其含量降低，在随后进行水冷的过程中，组织中的β 相发生固态相变，转变为六方马氏体α' 相，并形成亚稳定β 相，组织中形成过饱和固溶体，故合金经水冷处理后的组织由初生α相、六方马氏体α'相以及亚稳定β 相组成[7]。当合金在加热并进行空冷处理后，形成的组织与水冷形成组织相近，但因为空冷的速度较水冷更慢，故组织中除有初生α 相外，形成了次生α 相，且次生α 相相比六方马氏体α'相，其体积略有增大，所以经空冷处理后的组织由初生α 相和β 转变组织组成，β 转变组织由次生α'相以及残余β 相组成[8]。当合金加热并进行炉冷处理后，其组织为明显的等轴组织，此时组织中初生α 相体积明显增大增粗，并且形成细小棒材的次生α 相，这是因为炉冷的过程较长，组织中的初生α 相和次生α 相有足够的能量和时间进程生长，故其组织较为粗大，形成等轴组织。
图2 经不同冷却方式处理后的金相组织
3.2 维氏硬度
图3 为经不同冷却方式处理后的维氏硬度值，由图3可知，合金经不同冷却方式处理后，其硬度值有一定差异，其硬度数值由大到小依次为水冷（220 HV）、空冷（185 HV）、炉冷（183 HV），其中水冷硬度最大，而空冷和炉冷差距较小。随后对组织中初生α 相含量进行测试，测试的三种冷却方式中其初生α 相含量分别为水冷（44 %）、空冷（43 %）、炉冷（77 %），可以发现，炉冷的组织中，初生α 相含量最多，而水冷和空冷组织中初生α 相含量几乎一致。
图3 经不同冷却方式处理后的维氏硬度
在硬度测试过程中，因为水冷和空冷组织中初生α相含量几乎一致，所以测试硬度的差异以六方马氏体α'相和次生α 相为主，当合金进行水冷处理后，组织以初生α 相和六方马氏体α'相为主，其中具有六方结构的α'相相比与初生α 相和次生α 相，其硬度较大，所以导致水冷处理后的硬度最大。而合金经空冷和炉冷处理后，虽然初生α 相含量差异较大，但是组织中初生α 相和次生α 相均为密排六方结构，其硬度差异较小，导致空冷和炉冷硬度差异较小[9]。
3.3 拉伸性能
图4 为经不同冷却方式处理后的拉伸性能，由图4可知，合金经不同冷却方式处理后，其抗拉强度（Rm）值分别为水冷（510MPa）、空冷（494MPa）、炉冷（477MPa），其屈服强度（RP0.2） 值分别为水冷（395MPa）、空冷（364MPa）、炉冷（338MPa），可以发现，合金的抗拉强度与屈服强度均是经水冷处理后数值最大，经炉冷处理后数值最小。在塑性方面，合金的断后伸长率（A）趋势与强度相反，其数值分别为水冷（23%）、空冷（27%）、炉冷（35%）。
图4 经不同冷却方式处理后的拉伸性能
影响合金强度与塑性的因素有合金成分、组织形貌、相含量等众多因素。在合金经不同冷却方式处理后，因为水冷处理后的组织中有大量α'相，在合金进行拉伸过程中，因为α'相十分细小，位错在滑移过程中容易形成位错塞积现象，增大合金的强度，同时，由于在水冷形成α'相的过程中，其内部同时存在大量的位错，二者综合作用下，导致水冷后合金的强度较高。当合金进行空冷处理后，虽然组织中没有强度较高的α'相，但依然存在大量的细小次生α 相，在拉伸过程中同样会有位错塞积产生，大量次生α 相同时会有更多的相界面，较多的相界面同样会产生强化作用。当合金进行炉冷处理后，组织中存在大量等轴状初生α 相，等轴状α 相含量越多，合金的塑性越好，这是因为等轴状α 相中能开动的滑移系数量较多，在塑性变形过程中，滑移系会在位向较大的等轴状α 相中首先开动，当组织中包含较多等轴状α 相时，塑性变形过程中产生的形变能快速的分散到等轴状α 相中，组织中较难出现应力集中现象，故提高合金的塑性[10]。
此外，合金的抗裂纹扩展以及抗裂纹源萌生能力也是影响合金力学性能的主要因素，其组织的抗裂纹源萌生能力对力学性能的影响较大，而滑移距离影响抗裂纹源萌生能力的主要因素，因为炉冷组织中的初生α 相含量较多，尺寸较大，导致其滑移距离较短，故其强度较低[11]。
4 结论
4.1 经水冷处理后，组织中初生α 相减少，析出大量六方马氏体α'相，组织由等轴组织转变为双态组织，进行空冷处理后，组织中除有初生α 相外，还形成了次生α 相，进行炉冷处理后，组织中初生α 相体积明显增大增粗，并且形成的细小棒材的次生α 相。
4.2 经不同冷却方式处理后的硬度由大到小依次为水冷、空冷、炉冷，其中水冷硬度最大，而空冷和炉冷差距较小。
4.3 合金经不同冷却方式处理后，合金的抗拉强度与屈服强度均是经水冷处理后最大，经炉冷处理后最小，在塑性方面，合金的断后伸长率趋势与强度相反。
