熱處理溫度對TC20鈦合金細(xì)晶棒材組織和性能的影響

羅錦華，朱燕麗,2，侯峰起，張 鵬，李獻(xiàn)有

(1.西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，陜西 西安 710021)(2.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072)

熱處理溫度對TC20鈦合金細(xì)晶棒材組織和性能的影響

羅錦華1，朱燕麗1,2，侯峰起1，張 鵬1，李獻(xiàn)有1

(1.西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，陜西 西安 710021)(2.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072)

TC20鈦合金具有較低的密度、合適的強(qiáng)度以及優(yōu)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(yī)用材料。細(xì)小均勻且穩(wěn)定的顯微組織是保障和提高TC20鈦合金產(chǎn)品使用壽命的關(guān)鍵，因而研究相同加工條件下，熱處理制度對棒材組織及性能的影響具有重要意義。為此，對TC20鈦合金細(xì)晶棒材進(jìn)行了不同溫度下的熱處理實驗，分析了經(jīng)不同溫度熱處理后棒材的顯微組織和力學(xué)性能變化。結(jié)果表明：熱處理溫度對T20鈦合金棒材顯微組織的影響較顯著，隨著熱處理溫度的升高，細(xì)晶棒材強(qiáng)度持續(xù)降低，在800 ℃處理時強(qiáng)度降低幅度最大，而塑性基本不變。

TC20鈦合金；組織；性能；熱處理溫度

0 引 言

TC20鈦合金名義成分為Ti-6Al-7Nb，其具有低的密度、合適的強(qiáng)度以及優(yōu)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(yī)用材料[1]。在其他條件一致的情況下，為了提高產(chǎn)品的使用壽命，外科植入用TC20鈦合金棒材的顯微組織要盡可能細(xì)小均勻，GB/T 13810—2007要求其顯微組織為α+β組織，且應(yīng)符合ETTC2中的A1～A9水平。部分企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求TC20鈦合金棒材的高倍組織要穩(wěn)定優(yōu)于ETTC2中的A4水平。

西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司(以下簡稱西部超導(dǎo)公司)結(jié)合多年現(xiàn)場經(jīng)驗，加工出了組織優(yōu)于ETTC2中A2水平的TC20鈦合金細(xì)晶棒材，并分析發(fā)現(xiàn)熱處理溫度對其組織和性能的影響規(guī)律不同于常規(guī)棒材[2]。為此，深入研究了熱處理溫度對西部超導(dǎo)公司生產(chǎn)的TC20鈦合金細(xì)晶棒材組織和性能的影響，旨在為TC20鈦合金棒材的加工和熱處理提供實驗依據(jù)及理論指導(dǎo)，以滿足醫(yī)療領(lǐng)域?qū)C20鈦合金棒材的需求。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗所選用的坯料為西部超導(dǎo)公司軋制的規(guī)格為φ14.5 mm的TC20鈦合金細(xì)晶棒材，由于采用了特殊的熱加工工藝，棒材組織優(yōu)于ETTC2中的A2水平。經(jīng)測試，棒材化學(xué)成分如表1所示。采用金相法測得其相變點為1 005～1 010 ℃。

表1 TC20鈦合金棒材的化學(xué)成分(w/%)Table 1 Chemical composition of TC20 titanium alloy bar

熱處理前棒材橫向低倍組織整體為均勻模糊晶，顯微組織中彌散分布著均勻細(xì)小的α+β相，初生α相主要呈圓形、橢圓形，另有少量呈短棒狀，如圖1所示。

圖1 TC20鈦合金棒材熱加工態(tài)的高、低倍組織Fig.1 Microstructure and macrostructure of the as-rolled TC20 titanium alloy bar

1.2 實驗方法

將φ14.5 mm的TC20鈦合金細(xì)晶棒坯在Ⅱ級實驗用箱式熱處理爐內(nèi)進(jìn)行不同溫度下的熱處理。熱處理溫度分別為700、720、740、760、780、800、820、840、860、880、900 ℃，均保溫90 min后出爐，在空氣氣氛中冷卻至室溫。將經(jīng)熱處理后的棒坯制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，在Instron-4507型拉力實驗機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗；采用LEICA MEF4A倒立金相顯微鏡及JSM 6460掃描電子顯微鏡觀察其組織形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱處理溫度對細(xì)晶棒材顯微組織的影響

圖2為TC20鈦合金棒材經(jīng)不同溫度熱處理后，利用光學(xué)顯微鏡拍攝的放大倍數(shù)為200倍的金相照片。與熱加工態(tài)棒材的顯微組織(見圖1b)相比，經(jīng)700、720、740 ℃熱處理后(見圖2a)，棒材顯微組織的變化較小，組織形貌與相比例沒有明顯改變。780 ℃下保溫90 min后(見圖2b)，α相析出，隨著熱處理溫度升高，α相含量明顯增加，820 ℃處理后(見圖2c)，α相含量達(dá)到峰值。之后，隨著熱處理溫度的繼續(xù)升高，棒材組織中的α相減少，β相增加，當(dāng)熱處理溫度為900 ℃時(見圖2d)，棒材組織中的α相和β相含量基本趨于平衡。

圖2 經(jīng)不同溫度熱處理后TC20鈦合金棒材的金相照片(放大倍數(shù)為200倍)Fig.2 Metallographs of TC20 titanium alloy bars heat treated under different temperatures(200×)

為了進(jìn)一步觀察α相和β相的分布情況，利用掃描電子顯微鏡進(jìn)行了更高放大倍數(shù)的組織觀察，得到的SEM照片如圖3及圖4所示。

從放大倍數(shù)為500倍和5 000倍的電子顯微照片可以觀察到，當(dāng)熱處理溫度在760 ℃時(見圖3b)，TC20鈦合金棒材顯微組織中的β相減少，α相析出；780～820 ℃時(見圖3c、d、e及圖4b、c、d)，α相明顯析出、合并、長大，在800 ℃時，α相尺寸和含量達(dá)到最大；840 ℃時(見圖4e)，α相溶解，β相含量增加；當(dāng)熱處理溫度為900 ℃時(見圖3f及圖4f)，α相和β相的相比例基本回到熱處理前的狀態(tài)。

圖3 經(jīng)不同溫度熱處理后TC20鈦合金棒材的SEM照片(放大倍數(shù)為500倍)Fig.3 SEM photos of TC20 titanium alloy bars heat treated under different temperatures(500×)

圖4 經(jīng)不同溫度熱處理后TC20鈦合金棒材的SEM照片(放大倍數(shù)為5 000倍)Fig.4 SEM photos of TC20 titanium alloy bars heat treated under different temperatures(5 000×)

表2為利用金相分析軟件得到的TC20鈦合金棒材經(jīng)不同溫度熱處理后，其顯微組織中α相的比例。由于熱加工過程中的劇烈變形及溫度變化，使得熱加工態(tài)TC20鈦合金細(xì)晶棒材內(nèi)部畸變能大大增加。在700～760 ℃熱處理時，是去應(yīng)力過程，畸變能緩慢釋放，組織沒有明顯改變；760～820 ℃熱處理時，為再結(jié)晶過程，在溫度的驅(qū)動下，α相不斷析出、合并、長大，且趨于等軸化。當(dāng)熱處理達(dá)到820 ℃及以上時，α相發(fā)生溶解，β相增加。出爐后，由于棒材樣本較小，冷卻速度很快，導(dǎo)致從β相轉(zhuǎn)變?yōu)棣料嗟倪^程來不及進(jìn)行，從而使β相轉(zhuǎn)變?yōu)槌煞峙c母相相同、而晶體結(jié)構(gòu)不同的過飽和固溶體或過冷β相[3]。由圖4可以看出，α相溶解形成的β相(圖4f)與初始β相(圖4a)的形貌差異較大。

表2 經(jīng)不同溫度熱處理后TC20鈦合金細(xì)晶棒材顯微組織中α相的比例Table 2 α phase proportion of TC20 titanium alloy bars heat treated under different temperatures

2.2 熱處理溫度對細(xì)晶棒材室溫力學(xué)性能的影響

傳統(tǒng)熱加工工藝認(rèn)為：TC20鈦合金鑄錠經(jīng)開坯鍛造近成品時，在940 ℃左右加熱，火次變形量控制在50% ～70%，可得到等軸α+β轉(zhuǎn)變組織，滿足ETTC2中的A1～A9水平。當(dāng)在700～850 ℃之間對其進(jìn)行熱處理時，棒材的室溫拉伸性能會隨著熱處理溫度的改變發(fā)生明顯變化，溫度升高，強(qiáng)度逐漸降低，塑性逐漸升高并到達(dá)峰值后回落[4]。

圖5為TC20鈦合金細(xì)晶棒材經(jīng)不同溫度熱處理后的室溫力學(xué)性能變化曲線。

圖5 經(jīng)不同溫度熱處理后TC20鈦合金棒材的室溫拉伸性能變化曲線Fig.5 Mechanical properties of TC20 titanium alloy bars heat treated under different temperatures

由圖5可以看出，熱處理后TC20鈦合金棒材的室溫強(qiáng)度變化較為明顯，Rm和Rp0.2均逐漸降低，且在780～820 ℃處理時，降幅最大，約為20%，而塑性指標(biāo)A和Z則沒有明顯變化。

鈦合金熱處理強(qiáng)化的效果取決于淬火所得亞穩(wěn)定相(馬氏體α′，α″，亞穩(wěn)β相)的類型、成分、數(shù)量、分布以及在加熱分解過程中析出相的本質(zhì)、結(jié)構(gòu)和彌散程度等，而這些又與合金的成分、熱處理工藝規(guī)范和原始組織有關(guān)[3]。TC20鈦合金細(xì)晶棒材經(jīng)特殊的熱加工工藝處理后，產(chǎn)生了大量位錯，塞積在晶界和晶內(nèi)，細(xì)晶強(qiáng)化作用加強(qiáng)，導(dǎo)致棒材強(qiáng)度增加。當(dāng)熱處理溫度較低時，這些位錯重新排列或相互抵消，導(dǎo)致強(qiáng)度下降，但α相和β相整體比例均衡，且細(xì)小均勻，表現(xiàn)出優(yōu)良的塑性。當(dāng)熱處理溫度升高時，初生α相發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，引起室溫拉伸強(qiáng)度下降。繼續(xù)升高溫度，α相明顯析出、合并、長大，強(qiáng)度下降更為明顯，但細(xì)小均勻的晶粒仍然可以維持棒材塑性處于相對穩(wěn)定的水平。當(dāng)熱處理溫度更高時，α相溶解，β相增加，塑性指標(biāo)A和Z整體維持在一個較平穩(wěn)的狀態(tài)。

3 結(jié) 論

(1)TC20鈦合金細(xì)晶棒材組織對熱處理溫度敏感，在700～760 ℃之間熱處理時，主要是去應(yīng)力過程；在780～820 ℃之間熱處理時，α相析出、合并、長大，800 ℃時α相尺寸和含量均達(dá)最大；在820～900 ℃之間熱處理時，α相溶解，轉(zhuǎn)化為β相，900 ℃時α相和β相含量基本趨于平衡。

(2)在700～900 ℃之間對TC20鈦合金細(xì)晶棒材進(jìn)行熱處理后，棒材室溫強(qiáng)度持續(xù)下降且在800 ℃附近時下降幅度最大，塑性基本不變。

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Effect of Heat Treatment Temperature on Microstructures and Properties of TC20 Titanium Alloy Bars

Luo Jinhua1,Zhu Yanli1,2,Hou Fengqi1,Zhang Peng1,Li Xianyou1

(1.Western Superconducting Technologies Co.,Ltd.,Xi’an 710021，China) (2.Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072，China)

For the lower density,proper strength and better biomedical compatibility,corrosion resistance,machinability,TC20 titanium alloy was widely used as biomaterial.Homogeneous fine grain and stable microstructure were the key factors to promote the working life of the implant.So with the same process,comparison and analysis of the microstructures and related mechanical properties under different heat treatment were significant.The effects of heat treatment on microstructures and properties of TC20 titanium alloys were studied in this paper.The results show that heat treatment has great influence on the microstructure.With the increasing heat treatment temperatures,the strength is decreased,and the reduction is distinctly when heat treated at 800 ℃， but the elongation is essentially unchanged.

TC20 titanium alloy; mechanical property; microstructure; heat treatment temperature

2015-03-10

羅錦華(1964—)，男，高級工程師。