面向外科植入領域的TC20鈦合金熱處理工藝優化研究——聚焦空冷單重熱處理制度，探究溫度對初生α相/β轉變組織的調控作用，實現強度與塑韌性的穩定匹配

鈦及鈦合金因其具有質輕?比強度高以及優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骨骼置換領域。TC20 (Ti-6Al-7Nb) 與 TC4 (Ti-6Al-4V) 機械性能相當，且以穩定無毒的 β 穩定元素 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域。

作為醫學領域關鍵性金屬材料，其微觀組織與使用性能的穩定也必將是保障其工業產品環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 950℃×0.5h.WQ+500℃×4h.AC 固溶時效處理后，TC20 鈦合金組織穩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整初生 α 相與次生 α 相含量以及形態，采用三重熱處理工藝，在保證性能的前提之下，解決了其工業棒材生產時直線度的問題等。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，工業化生產控制難度較大，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定時的最大熱處理溫度范圍窗口，為不同生產設備下使用熱處理手段增強增韌等實際工業生產提供可操作性指導。

1、試驗材料以及方法

試驗所用材料為經真空自耗電弧爐二次熔煉得到的直徑為 φ696mm 鑄錠，經過 β 區鍛造 + 兩相區鍛造 (鐓粗和拔長)+ 兩相區徑向鍛造等一系列工序生產的 φ32mm 精鍛棒材。根據 YS/T 1262-2018 的試驗方法測得化學成分見表 1，經連續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，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 擺錘式沖擊試驗機。

表 1 鑄錠化學成分 (質量分數，%)

表 2 經鍛棒材熱處理制度

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 合金棒材經不同溫度熱處理下的顯微組織見圖 1，可以看出，合金經 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 轉變組織，并且隨著熱處理溫度的升高，其 β 轉變組織逐漸增多，形態也由均勻零星分布逐漸連結成片 (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組織，顯微組織中 β 轉變組織與初生 α 相含量基本持平，并且 β 轉變組織中的 α 片層以及殘余 β 片層數量均有增多；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 相發生細化，晶內不同位置出現取向不同的集束現象。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性討論

不同熱處理狀態下的室溫拉伸性能 (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定，數據基本無波動，此時實現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）