钛合金的性能与它的微观组织形貌有着密不可分的联系，其常见的显微组织主要有4种:等轴组织、网篮状组织、双态组织和魏氏组织［1-2］。而微观组织取决于热处理工艺，因此，研究钛合金热处理工艺对组织性能的影响具有重要意义［3］。

目前关于钛合金热处理的研究主要是淬火过程中发生的同素异构转变，而根据冷却速度和合金成分的不同，发生的主要相变有:β→α'、β→α、β→α″、β→ω［4-5］。Malinov等 ［6］发现Ti-6Al-4V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si等钛合金在不同的热处理条件下(锻态、炉冷、水冷、水冷后时效)，合金中α、α'、α″和β相的量各不同。Ahmed等 ［7］研究了不同冷却速度对Ti6Al4V钛合金相变的影响，得到不同冷速下的组织，研究发现冷速为410～525℃/s时，只发生马氏体转变;冷速为20～410℃/s时，发生块状转变，为马氏体α'和块状α的混合组织;黄辉等［8］应用高温形变热处理技术研究了热处理工艺对TC4钛合金显微组织和力学性能的影响，结果表明TC4钛合金经不同的形变量淬火后得到的介稳组织均为α+α'相，α'相呈针状，形变量越大，针状α'相越细。曾卫东等［9］研究了TC11钛合金经β区加工后不同冷却方式(水冷、油冷、空冷和炉冷等)对显微组织和力学性能的影响，发现水冷可以减少晶界α相的析出，晶内得到短、细和无规则排列的针状α相;空冷和炉冷条件下，晶界α连续完整，并有大块α析出。本文报道了TC4钛合金在不同保温温度和冷却速度下的显微组织。

1、试验材料与方法

试验材料为退火态TC4厚板，化学成分如表1所示。

试样尺寸为10mm×10mm×5mm。将4组试样分别在970、1020、1100和1200℃保温30min，然后进行炉冷、空冷、油冷和水冷。热处理设备采用高温箱式电阻炉。

试样热处理后，经过镶样、磨样、抛光、腐蚀制备成金相试样，金相样品腐蚀剂为HF∶HNO₃∶H₂O=1∶4∶45。采用AxioPlan2型金相显微镜观察试样组织形貌;采用NaNo400场发射扫描电镜观察高倍显微组织。

2、试验结果与分析

2.1组织分析

图1所示为TC4钛合金970℃下保温30min后，分别在炉冷、空冷、油冷和水冷下的显微组织。可以看出，炉冷组织为等轴状α相，晶界处有少量的β相，见图1(a);空冷组织为等轴状初生α相和针状β相，初生α相呈发亮的颗粒，而β相发暗，见图1(b);油冷和水冷组织均为针状α'马氏体和片状α相，见图1(c，d)。

图2为TC4钛合金在1020℃下保温30min后，分别在炉冷、空冷、油冷和水冷下的显微组织。炉冷显微组织如图2(a)所示，晶界α相随着温度的缓慢降低而变厚，同时晶内α相由短变长，由窄变宽，其组织排列紧密且粗大;空冷组织为粗短的α相组织，包括厚且连续的晶界α相和晶内沿一定惯习面析出的相互平行的α相集束，如图2(b);图2(c)为油冷组织，α相晶界粗厚且连续，由于冷却时有一定过冷度，生成少量针状马氏体;水冷组织为细针状α'相，并且隐约可见原始β相晶界，如图2(d)，这是由于高温β相的析出在较快的冷速下来不及进行，晶内β相以切变方式转变为淬火马氏体，在热处理时分解为细密且位向无规则的细针状α'相。由此可见，不同冷却速度对显微组织有显著的影响。

图3和图4分别为TC4钛合金在1100℃和1200℃下保温30min后，在炉冷、空冷、油冷和水冷下的显微组织。这两种温度下不同冷速对组织影响的整体变化趋势与图2相似。随保温温度的升高，炉冷和空冷组织有变粗大的趋势。在1200℃下保温后空冷时，得到粗大的α相组织。水冷时均得到马氏体组织，马氏体组织大小受保温温度变化影响较小。

比较图1～图4可以看出，TC4钛合金在970℃下保温，由于温度稍低于β相转变温度，只有少量α相转变为β相，因此炉冷时可以得到细小的等轴状α相和晶界处少量的β相;在快冷时β相来不及转变为α相，原始β相晶界被破坏但隐约可见，片状α相沿晶界向晶内生长，针状马氏体在晶内生长，短小并无规则排列。

保温温度升高到相转变温度以上，炉冷时由于温度缓慢降低，晶界α越来越厚，晶内α由短变长，由窄变宽，组织变得更粗大;水冷时，由于冷速快，高温β相析出过程来不及进行，导致原始β晶界隐约可见，晶内β相以无扩散的切变方式转变为淬火马氏体，在热处理时分解为细密且位向无规则的细针状α'相，且随着保温温度升高，针状马氏体增多。

图5为TC4钛合金970℃下保温30min后，炉冷和水淬下的SEM形貌，炉冷组织为细小均匀的等轴状晶粒，如图5(a);水冷组织为初生α相、片状α相和针状α'马氏体的混合组织，如图5(b)。图6为TC4钛合金在1200℃下保温30min后，经炉冷和水淬后的SEM形貌，炉冷组织为粗大的片状α相，排列紧密，如图6(a);水冷组织为针状α'相马氏体组织，如图6(b)。

对比图5和图6可知，当加热温度为970℃时，稍低于相变温度，炉冷时晶粒比较细小，随着加热温度的升高，当高于相转变温度时，引起β相晶粒急剧长大，炉冷组织为粗大的α相;水冷淬火后的组织中，α'马氏体量随着保温温度升高而增加，与显微组织趋势一致。

2.2硬度分析

采用HV-50维氏硬度计测量热处理试样的硬度，加载载荷98N，持续时间20s，每个试样上取4个点，记录并取其平均值。图7为TC4钛合金在不同温度保温后炉冷、空冷、油冷和水冷下的硬度分布。可知，硬度随着冷速的增加而变大。在相转变温度以上，保温温度对硬度没有明显的影响，相差不大;但970℃保温时，由于温度低于相转变温度，冷却后的硬度值较低。

3、结论

1)TC4钛合金在970℃进行保温，α相并没有完全转变为β相，炉冷组织为等轴状α相，晶界处有少量的β相;空冷组织为初生α相和针状β相;油冷和水冷组织均为针状马氏体α'相和片状α相。

2)TC4钛合金在1020℃进行保温后，炉冷组织为排列紧密且粗大的α相，空冷组织为粗短的α相，油冷组织为α相和少量针状马氏体α'相，水冷组织为 细针状α'相。随保温温度升高至1100℃、1200℃，炉冷和空冷组织有变粗大的趋势。水冷时均得到马氏体组织，马氏体组织大小受保温温度变化影响较小。

3)TC4钛合金的硬度随着热处理冷速的增加而变大。在低于相转变温度(970℃)保温冷却后的硬度值比较低;在1020℃以上保温时，温度对硬度没有明显的影响，相差不大。

参考文献:

［1］Gil F J，Ginebra M P，Manero J M． Formation of α-Widmanst-ttenstructure: effects of grain size and cooling rate on the Widmanst-ttenmorphologies and on the mechanical properties in Ti6Al4V alloy［J］．Journal of Alloys and Compounds，2001，392(1 /2): 142-152．

［2］辛社伟，赵永庆，曾卫东． 钛合金固态相变的归纳与讨论( Ⅲ)—常用检测方法［J］． 钛工业进展，2008，25(3): 26-33．

［3］辛社伟，赵永庆． 关于钛合金热处理和析出相的讨论［J］． 金属热处理，2006，31(6): 39-42．

［4］张喜燕，赵永庆，白晨光． 钛合金及应用［M］． 北京: 化学工业出版社，2005．

［5］辛社伟，赵永庆，曾卫东． 钛合金固态相变的归纳与讨论( Ⅰ)—同素异构转变［J］． 钛工业进展，2007，24(5): 23-28．

［6］Malinov S，Sha W， McKeown．Modelling the correlation betweenprocessing parameters and properties in titanium alloys using artificial neural network［J］． Computational Materials Science，2001，21 (3):375-194．

［7］Ahmed T，Ｒack H J． Phase transformations during cooling in α + βtitanium alloys［J］． Materials Science and Engineering A，1998，243(1 /2): 206-211．

［8］黄辉． 高温形变热处理对 TC4 钛合金组织与性能的影响［J］． 光学精密工程，1996，4(4): 48-52．

［9］曾卫东，周义刚． 冷速对 TC11 合金 β 加工显微组织和力学性能的影响［J］． 金属学报，2002，38(12): 1273-1276．

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