熱加工工藝對TC20鈦合金板材組織和性能的影響

1、前言

TC20鈦合金名義成分為 Ti-6Al-7Nb，其具有低的密度、合適的強度以及優良的生物相容性、耐腐蝕性、可加工性等特點，被廣泛用作生物醫用材料[1]。TC20鈦合金采用與V 有相同原子濃度的無毒害的β穩定元素Nb 替代V，消除了對人體有害元素的影響，經長期臨床應用后，現已被世界醫學界所承認，將逐步取代Ti-6Al-4V 鈦合金[2]。國內TC20鈦合金主要產品形式以棒材為主，隨著醫療領域市場的不斷拓展，對TC20鈦合金板材的需求日益旺盛，而目前關于TC20鈦合金板材制備工藝的研究較少。牛中杰[3] 等研究發現TC20鈦合金坯料軋制在兩相區900℃～ 960℃進行，火次變形量控制在50% ～ 70%，坯料軋制后顯微組織為典型雙態組織，主要為球狀α+ 晶間β或β轉變組織，在兩相區軋制晶粒一般較細，并且能夠符合ETTC2 標準的A1 ～ A9金相圖譜，同時具有優良的力學性能。在TC20鈦合金板材工業化生產過程中，常規力學性能和外觀尺寸已經可以得到穩定控制，但是在顯微組織批次穩定性方面還有改善空間。

基于以上背景和現狀，本文的主要目的是通過研究TC20鈦合金板坯鍛造工藝、軋制工藝和熱處理工藝對組織和性能的影響，優化出最佳工藝參數，為實際生產提供指導和借鑒。

2、實驗

2.1 實驗材料

實驗選用寶雞鈦業股份有限公司經3 次VAR 熔煉的TC20鈦合金鑄錠，化學成分符合GB/T13810-2017標準規定，具體如表1 所示。采用金相法測得其相變點為1010℃。

2.2 實驗方法

將鑄錠在長度方向上進行二等分，在單相區進行加熱，分別采取未墩拔和兩鐓兩拔鍛造工藝進行板坯制備，板坯在兩相區進行單向軋制和交叉軋制，板材成品厚度為20mm，用水切割方法取橫向室溫拉伸和金相組織試樣后進行熱處理實驗，具體熱加工工藝和熱處理實驗方案見表2。在CMT5105 電子萬能試驗機上測試室溫拉伸性能。金相試樣經砂紙打磨和機械拋光后，采用配比為HF ：HNO3 ：H2O=1 ：3 ：9（ 體積分數）的侵蝕液腐蝕，用Axiovert200mat 光學顯微鏡進行顯微組織觀察。

3、結果與討論

3.1 鍛造工藝對板材顯微組織的影響

以單向軋制后的板材為對象，分析兩種鍛造工藝對板材顯微組織的影響，見圖1 和圖2。結果表明，板坯制備時未鐓拔，板材的顯微組織中條狀α相的比例較大，且α相的尺寸差異較大，局部區域聚集大尺寸的條狀α相，局部區域的條狀α相尺寸細小，并且這兩種區域呈相互交錯分布；在熱處理過程中，隨著溫度的升高，條狀α相的比例逐漸減小，900℃時顯微組織中的條狀α相沒有完全消除，顯微組織不均勻。板坯制備采用鐓拔工藝后，顯微組織也是由條狀α相組成，但條狀α相的尺寸差異不大，組織均勻性好；在熱處理過程中，大部分條狀α相出現再結晶現象，轉變成等軸α相，組織均勻性顯著改善。組織評級表明，采用鐓拔工藝的板材顯微組織符合ETTC2 標準中的A3 ～ A6級；采用未墩拔的板材組織均勻性較差，組織評級不符合ETTC2 標準中的A1 ～ A9 級。因此，板坯制備采用鐓拔工藝能夠使成品板材的組織均勻性得到有效改善。

3.2 軋制工藝對板材顯微組織的影響

由于鐓拔工藝的板材顯微組織符合標準要求，所以分析軋制工藝對板材顯微組織的影響以鐓拔板坯為對象。圖3為TC20鈦合金板坯經單向和交叉軋制并熱處理后的顯微組織，熱處理制度為780℃ ×1h，AC。結果表明，采用單向軋制的板材顯微組織由長條α相和等軸α相組成，但條狀α相的比例多，顯微組織不均勻；采用交叉軋制后，板材的顯微組織由等軸α相和β轉變組織組成，顯微組織均勻性良好。

3.3 熱處理制度對板材顯微組織的影響

通過上述研究發現，工藝4 的板材顯微組織均勻性最好，因此以工藝4 軋制后的板材為對象，研究熱處理工藝對顯微組織的影響，結果見圖4。經過740℃退火后，大部分條狀α相都轉變成等軸α相（圖4b）；在740℃ ~800℃溫度范圍內退火，隨著溫度的升高，顯微組織的變化不明顯（圖4b~e）；在820℃以上溫度退火后，等軸α相出現顯著的長大現象（圖4f~g）。因此，板材最佳的熱處理溫度為740℃ ~800℃。

3.4 熱加工工藝對室溫拉伸力學性能的影響

圖5 是板材熱處理制度為780℃ ×1h，AC 時，不同熱加工工藝的室溫拉伸力學性能。從圖5 可以看出，板坯的鍛造工藝和板坯軋制工藝對TC20鈦合金板材室溫拉伸力學性能影響不明顯，均能滿足GB/T13810-2017 標準要求。

4、結論

（1）熱加工工藝對TC20鈦合金板材顯微組織均勻性影響顯著。采用鐓拔板坯+ 縱橫向變形比趨于一致的交叉軋制工藝，熱處理制度為（740℃～ 800℃）/1h，空冷的工藝組合時可以獲得由等軸初生α相和β轉變相組成的均勻顯微組織，組織評級可以滿足ETTC2 標準中要求的A3 ～ A6級。

（2）熱加工工藝對TC20鈦合金板材室溫拉伸力學性能影響不明顯，均能滿足GB/T13810-2017 標準要求。

參考文獻：

[1] 姚志修．鈦—理想的人體植入材料[J]．醫藥情報，1994，（5）：17-18.

[2] 李哲，李佐臣. 鈦工業進展[J]，2004，21（9）：16.

[3] 牛中杰，曹繼敏，楊冠軍，王廷詢.Ti-6Al-7Nb 鈦合金熱加工與熱處理工藝研究[J]. 鈦工業進展.2006，23（1）：24-27.