摘要：在生物、化工、航空航天等诸多领域，钛及钛合金凭借耐高温、耐腐蚀等卓越性能占据关键地位，TC21 钛合金更是因高模量、高强度等特性在航空航天大放异彩。于合金性能提升而言，塑性变形与热处理是两大核心手段，热处理凭借高效节能优势备受关注。过往研究虽多涉足 TC21
导读
以 TC21 钛合金为对象，设不同相区温度固溶处理，经多方面分析，明晰固溶温度对其微观组织和力学性能的影响规律，为合金应用提供支撑。
在生物、化工、航空航天等诸多领域，钛及钛合金凭借耐高温、耐腐蚀等卓越性能占据关键地位，TC21 钛合金更是因高模量、高强度等特性在航空航天大放异彩。于合金性能提升而言，塑性变形与热处理是两大核心手段，热处理凭借高效节能优势备受关注。过往研究虽多涉足 TC21 钛合金热处理，但多聚焦两相区温度，单相区研究匮乏。
本研究独辟蹊径，精准设定两相区与单相区温度对 TC21 钛合金固溶处理，借微观形貌、物相、拉伸性能及断口分析，系统探究固溶温度对其组织性能影响，弥补研究空白，为合金热处理工艺优化提供关键依据，助力航空航天等领域材料应用升级。
【研究亮点】
研究视角独特，突破以往局限，首次全面对比 TC21 钛合金在两相区和单相区不同固溶温度下的微观组织演变、物相转变及性能变化，填补单相区研究空白，为钛合金热处理研究开拓新思路。
深度剖析组织性能关联机制，从初生 α 相演变、针状 α 相析出、β 相转变及位错运动等多层面，阐释固溶温度影响合金强度、塑性及断裂形式的内在逻辑，理论深度与创新性兼具。
【文章来源】
新疆湘润新材料科技有限公司、大连交通大学、中国科学院金属研究所联合研究团队在2024年第44卷第11期《特种铸造及有色合金》期刊上发表了题为“固溶温度对TC21钛合金微观组织与力学性能的影响”的文章，作者以TC21钛合金为研究对象，根据合金的相变点分别设置两相区与单相区温度对合金进行固溶处理，通过微观形貌观察、物相分析、拉伸性能以及断口分析等研究了固溶温度对TC21钛合金微观组织与力学性能的影响。结果表明，固溶温度对合金的微观组织形貌的影响较大，在固溶温度升高的过程中，组织中的初生α相数量逐渐减少，最后完全消失，形貌由长条状向短棒状改变，且等轴化程度逐渐增加。合金的强度随固溶温度升高呈现出先升高再降低的趋势，而塑性则呈现出持续降低的趋势。当固溶温度处于两相区时，合金的拉伸断口形貌以韧窝为主，其断裂形式为韧性断裂；当固溶温度处于单相区时，合金的拉伸断口形貌则以岩石状形貌为主，并存在少量尺寸较小的韧窝，断裂形式为脆性断裂。
【研究方法】
材料与试样制备：以特定规格 TC21 钛合金棒材为原料，经多道塑性加工及精细处理成成品棒材，依相变点精准设定 910 - 1010℃等固溶温度（2h 水冷），切割加工后严格制备金相、拉伸及断口分析试样，确保试验精度。
测试与表征手段：综合运用 Axio 光学显微镜、Empyrean X 射线衍射仪、AG - I500kN 万能电子拉伸试验机、Scios 扫描电镜，分别对合金微观组织、物相、拉伸性能及断口形貌进行全方位、高精度测试分析，获取丰富数据信息。
【图文解析】
1试验材料与方法
试验原材料为ϕ140 mm的TC21钛合金棒材，棒材通过45/50MN自由锻造机进行塑性加工，首先在合金单相区温度下进行开坯锻造，随后进行多火次墩拔的中间锻造，最后在两相区温度下进行成品锻造，结束后进行机械加工、探伤、修磨以及抛光等工序制成成品棒材。TC21钛合金棒材的原始微观组织见图1。可以看出，合金组织主要由大量棒状的初生α相（αp）构成，在初生α相之间存在少量的β转变组织。
图1试验用TC21钛合金原始微观组织形貌
测得试验TC21钛合金的具体化学成分为（质量分数）：6.11%的Al、0.21%的Mo、1.03%的Nb、0.93% 的Sn、1.01%的Zr、1.71%的Cr、Ti余量。使用金相法测得合金的相变点温度为967 ℃。根据合金的相变点设置固溶温度分别为910、930、950、970、990和1 010 ℃，固溶时间为2 h，水冷（WC）。
对棒材进行切割加工，使用SX2-10-12高精度箱式电阻炉对合金进行热处理，结束后对合金进行切样加工，使用超声波清洗仪清洗试样并用吹风机吹干待用。为保证试验严谨性，微观组织观察试样选取拉伸试样尾部，进行镶样、粗磨、精磨以及抛光等工序后对试样进行腐蚀处理。腐蚀液采用HF、HON3、H2O体积比为2∶3∶15的混合溶液，腐蚀完成后使用酒精清洗并烘干。通过Axio光学显微镜对腐蚀后的试样进行金相组织观察，采用Empyrean X射线衍射仪分析合金物相，扫描角度为30°~80°。采用AG-I500 kN万能电子拉伸试验机对合金进行室温拉伸性能测试，横梁位移速率为1 mm/min，每组测试3个拉伸试样，结果取平均值。采用Scios扫描电镜对合金的高倍微观组织及断口形貌进行观察。
2试验结果与讨论
图2为经不同温度固溶处理后的TC21钛合金的微观组织。可以发现，固溶温度的改变对微观组织形貌会产生较大的影响。合金在加热过程中，组织中初生α相的尺寸以及形貌的演变过程为原始的初生α相逐渐溶解成细小条状α相，并伴有球化分解。加热温度越高，该过程进行得越彻底，即发生α→β相转变。在冷却过程中，组织中的β相向α相发生转变，该过程会发生3种物相转变，即β→α相、β→α′相以及β→α″相。
图2经不同固溶温度处理后的TC21合金的微观组织
图3为经不同固溶温度处理后的TC21钛合金XRD图谱。在XRD谱图中，由于初生α相的晶体结构为密排六方结构，其与α′相的晶体结构一致，这使得初生α相与α′相的点阵常数十分接近，故初生α相与α′相的衍射峰几乎重合，难以区分。决定组织在冷却过程中发生扩散或者切变的主要因素为过冷度。在固溶过程中，合金加热后以水冷的方式进行冷却处理，其形成的冷却速率较快，会产生较大的过冷度，这会导致组织中合金元素在较快的冷却过程中来不及进行有序地扩散，故此时的β相会通过切变的形式转变成α′相。根据分析可知，无论固溶温度位于单相区还是两相区，合金组织中均有α″相析出。
图3经不同固溶温度处理后的TC21合金的XRD图谱
随固溶温度升高，合金强度呈先增大后减小的趋势。随固溶温度升高，合金的塑性持续降低，当固溶温度达到单相区后，合金塑性几乎不变。对比可知，当固溶温度为950 ℃时，合金强度达到最大值，其抗拉强度为1 322 MPa，屈服强度为1 216 MPa，伸长率为7%，断面收缩率为11%。
图4经不同固溶温度处理后TC21合金的力学性能
在固溶温度较低时，组织中初生α相含量较高，合金塑性较好，这是因为初生α相能够改善微观组织的结构参数，优化组织的变形行为，促进交叉滑移系统产生滑动，增加组织协调性。在拉伸变形的起始阶段，滑移是在初生α相之间率先开始的。随着变形的不断加剧，组织中参与滑移的初生α相不断增加，而初生α相的体积分数能够对微型区域变形的均匀程度以及滑移带的间距产生影响，进而对力学性能产生影响，即组织中的初生α相数量越多且体积分数越大，合金的塑性越好。当固溶温度升高至单相区后，组织中初生α相完全消失，且出现粗大β晶粒，由于此时组织的晶粒尺寸较大，会有效降低位错运动以及晶界滑移，故其产生的形变阻力较大，从而使得合金的塑性变差。在强度方面，除初生α相的影响外，组织中形貌为细小针状的α'相与α"相同样会对强度造成较大的影响。在拉伸过程中，当滑移逐渐延伸至α'相与α"相时，细小的形貌会对滑移起到较大的阻碍，且容易产生应力集中，若要继续进行滑动，则需要施加更大的外力，使得合金强度增加。当固溶温度达到单相区后，初生α相完全消失会导致组织协调性能大幅降低，且此时析出大量的α'相与α"相。在拉伸过程中，位错难以穿过α/β相界面，使得在界面处造成大量的位错塞积，这会引发微型区域以及滑移带的不均匀形变且容易形成微孔并快速长大，导致拉伸试样过早进入屈服阶段，最后使得拉伸试样发生断裂，导致合金强度下降。
固溶温度为两相区时，其拉伸断口形貌主要为等轴状韧窝形貌，在部分尺寸较大的韧窝内部还包含一定数量的细小微裂纹，断口中韧窝尺寸大且深，表明合金的断裂形式为韧性断裂。
图5经不同固溶温度处理后的TC21钛合金拉伸断口微观形貌
当固溶温度达到单相区后，发现断口中出现岩石状形貌，并发现断口中韧窝变小变浅，而岩石状形貌则表明合金发生脆性断裂，导致塑性明显下降。这是由于组织中的初生α相消失，且组织中析出大量α′相与α″相，其会对滑移产生阻碍，使得合金难以发生形变。同时发现经单相区温度处理后的断口形貌中同样存在一定数量的微裂纹，这是因为在拉应力的不断作用下，组织中的晶粒以及晶界处会产生微损伤。当损伤量积累达到一定程度后，在晶界位置会出现微小孔洞并逐渐长大，而微小孔洞附近的应力场在此过程中同样是由均匀变形过程的一维应力逐渐转变为非均匀过程的三维流体静应力，而促使微孔不断长大的原动力也由此应力所提供。在微孔洞不断出现、长大且相互关联的过程中会有微裂纹出现。
【主要结论】
明确固溶温度升高促使 TC21 钛合金初生 α 相减少、等轴化且针状 α 相增多，直至单相区初生 α 相消失，系统揭示组织演变规律。
确定合金强度随固溶温度先升后降、塑性持续降低趋势，950℃时强度达峰值，为热处理工艺参数优化提供关键性能数据。
精准判定两相区合金韧性断裂、单相区脆性断裂特征，从组织变化角度阐释断裂机制转变，为合金失效分析与应用提供理论依据。
【本文引用格式】
中文：翟欣姣，张明玉，宋一新，等。固溶温度对 TC21 钛合金微观组织与力学性能的影响 [J]. 特种铸造及有色合金，2024，44 (11)：1554 - 1558.
英文：ZHAI X J，ZHANG M Y，SONG Y X，et al. Effects of solution temperature on microstructure and mechanical properties of TC21 titanium alloy [J]. Special Casting & Nonferrous Alloys，2024，44 (11)：1554 - 1558.
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【扩展阅读】
《特种铸造及有色合金》2024年第44卷第11期
来源：特铸杂志