面向外科植入領(lǐng)域的TC20鈦合金熱處理工藝優(yōu)化研究——聚焦空冷單重熱處理制度，探究溫度對初生α相/β轉(zhuǎn)變組織的調(diào)控作用，實現(xiàn)強度與塑韌性的穩(wěn)定匹配

鈦及鈦合金因其具有質(zhì)輕?比強度高以及優(yōu)異的生物相容性等特性，被廣泛應用于航空航天?高端運輸裝備以及人體內(nèi)骨骼置換領(lǐng)域。TC20 (Ti-6Al-7Nb) 與 TC4 (Ti-6Al-4V) 機械性能相當，且以穩(wěn)定無毒的 β 穩(wěn)定元素 Nb 替換對人體有危害作用的 V 元素，因此作為第二代 α+β 型合金被廣泛應用于外科植入等領(lǐng)域。

作為醫(yī)學領(lǐng)域關(guān)鍵性金屬材料，其微觀組織與使用性能的穩(wěn)定也必將是保障其工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境耐受度的首要考慮因素，因此廣大學者對其進行了廣泛研究。其工藝制備流程相對復雜，并且對加熱設備要求較為嚴格：例如南昌航空大學鐘明君等人指出，經(jīng) 950℃×0.5h.WQ+500℃×4h.AC 固溶時效處理后，TC20 鈦合金組織穩(wěn)定且強韌性得到良好匹配；新疆湘潤新材雷文光等人通過控制固溶冷卻方式以及時效溫度以調(diào)整初生 α 相與次生 α 相含量以及形態(tài)，采用三重熱處理工藝，在保證性能的前提之下，解決了其工業(yè)棒材生產(chǎn)時直線度的問題等。上述研究均為兩重及三重熱處理，高溫固溶后采用水冷，針對棒材整體熱處理，采用整體水冷，工業(yè)化生產(chǎn)控制難度較大，同時熱處理過程的控制對性能波動的影響較大。

為此，本文選用寶鈦集團生產(chǎn)的精鍛棒材，在不同熱處理溫度下對精鍛棒材進行熱處理試驗，旨在明確單要素 (溫度) 對其組織與性能的影響，最終探明組織與性能兩者趨于穩(wěn)定時的最大熱處理溫度范圍窗口，為不同生產(chǎn)設備下使用熱處理手段增強增韌等實際工業(yè)生產(chǎn)提供可操作性指導。

1、試驗材料以及方法

試驗所用材料為經(jīng)真空自耗電弧爐二次熔煉得到的直徑為 φ696mm 鑄錠，經(jīng)過 β 區(qū)鍛造 + 兩相區(qū)鍛造 (鐓粗和拔長)+ 兩相區(qū)徑向鍛造等一系列工序生產(chǎn)的 φ32mm 精鍛棒材。根據(jù) YS/T 1262-2018 的試驗方法測得化學成分見表 1，經(jīng)連續(xù)升溫金相法測得該棒材本體相變點為 1001℃。

熱處理試驗在箱式電阻爐中進行，表 2 為熱處理制度；檢測顯微組織采用 Axiovert 200 MAT 光學顯微鏡，利用 Clemex 成像軟件配合光學顯微鏡確定顯微組織中初生 α 相的體積分數(shù)，室溫拉伸性能檢測使用 Instron 5885 電子萬能材料試驗機，室溫沖擊韌性使用 JNS 300 擺錘式?jīng)_擊試驗機。

表 1 鑄錠化學成分 (質(zhì)量分數(shù)，%)

表 2 經(jīng)鍛棒材熱處理制度

注：熱處理時間均為 1.5h，冷卻方式均為空冷。

2、試驗結(jié)果與討論分析

熱處理溫度對材料微觀組織的影響

TC20 合金棒材經(jīng)不同溫度熱處理下的顯微組織見圖 1，可以看出，合金經(jīng) 650℃×1.5h~900℃×1.5h 熱處理后，其精鍛棒材的微觀組織為典型的等軸組織，即初生 α 相占主導地位，輔之以一定量的 β 轉(zhuǎn)變組織，并且隨著熱處理溫度的升高，其 β 轉(zhuǎn)變組織逐漸增多，形態(tài)也由均勻零星分布逐漸連結(jié)成片 (其尺寸在 8μm~10μm 不等)；950℃×1.5h 熱處理見圖 1 (h)，其微觀組織為典型的雙態(tài)組織，顯微組織中 β 轉(zhuǎn)變組織與初生 α 相含量基本持平，并且 β 轉(zhuǎn)變組織中的 α 片層以及殘余 β 片層數(shù)量均有增多；隨著加熱溫度的升高，初生 α 相對溫度更加敏感，1000℃×1.5h 熱處理見圖 1 (i)，此時初生 α 相含量急劇減少，只存在個別尺寸較小的初生 α 相殘留，并且此時的片層狀 α 相發(fā)生細化，晶內(nèi)不同位置出現(xiàn)取向不同的集束現(xiàn)象。由此可見，熱處理溫度的變化對于初生 α 相含量、次生 α 相的含量以及形貌有一定的影響。

3、微觀組織與力學性能的相關(guān)性討論

不同熱處理狀態(tài)下的室溫拉伸性能 (圖 2a) 與沖擊性能 (圖 2b) 的變化趨勢如圖 2 所示，可以看出，在 650℃×1.5h~950℃×1.5h 溫度區(qū)間，隨著熱處理溫度的升高，TC20 鈦合金抗拉強度與屈服強度逐漸降低，斷后伸長率與斷面收縮率逐漸增大。值得注意的是：熱處理制度在 750℃×1.5h~850℃×1.5h 范圍時，其各項室溫力學性能較為穩(wěn)定，數(shù)據(jù)基本無波動，此時實現(xiàn)了強度與塑韌性之間的良好匹配；而熱處理溫度低于 750℃時，其塑韌性指標相對較低。

結(jié)論

當熱處理溫度在 750℃~850℃之間時，TC20 鈦合金在保證強度的同時塑韌性不會過多損失，實現(xiàn)了強度與塑韌性的良好匹配，該溫度范圍為其組織與性能趨于穩(wěn)定的最佳熱處理溫度窗口。

（注，原文標題：熱處理溫度對TC20鈦合金組織與性能的影響）