航空海洋石油勘探用TC10鈦合金板材的相變及熱處理

1、前言

TC10（名義成分為Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Fe-0.5Cu）是一種富β穩定元素的兩相高強鈦合。其具有良好的力學性能、耐熱性能以及耐蝕性等特點，在航天航空領域、海洋工程領域以及石油勘探等領域都有廣泛的應用。

TC10鈦合金固態相變通常發生在熱處理過程中，相變的研究實際就是研究其熱處理過程，兩相鈦合金相變的種類主要有同素異構轉變、共析轉變和有序化轉變[1]。

2、冷卻過程中的相變

2.1馬氏體相變

TC10合金含富β穩定元素，在其β相區或接近(α+β）/β相變點進行高溫淬火時，β相析出的過程來不及進行，β相的晶格結構不易被冷卻速度所抑制，仍然發生了轉變[3]。這種原始β相的成分未發生變化，晶格結構發生了變化的過飽和固溶體便是馬氏體。

2.1.1α＇相變

當β相的晶格由體心立方晶格轉變為密排六方晶格，這種具有六方結構的過飽和固溶體稱為六方馬氏體，以α＇來表示，α＇相變為馬氏體相變中的一種，是在快速冷卻的過程中通過非擴散切變而形成的。

2.1.2α＂相變

當β相的晶格不能轉變為密排六方晶格時，其轉變為斜方晶格。這種具有斜方晶格的馬氏體稱為斜方馬氏體，以α＂來表示。α＂相是由β相以非擴散轉變形成的過飽和非平衡斜方相，是馬氏體相變中的一種。

2.2α相變

當冷卻速度較慢時，會發生α相變，也稱為近平衡相變，其相變過程中的同素異構轉變是通過原子擴散進行的，而不是切變。由于冷卻速度很慢，此類相變得到的組織為近平衡組織，沒有時效強化效果，有較好的塑性，但是強度較低，一般退火爐冷過程中都會發生此類相變。

3、時效過程中的相變

TC10鈦合金在冷卻過程中存在不穩定相，這些相在隨后時效過程中會發生分解，根據保留相的不同，在時效過程中主要相變有：β→α，α＇→β＋α，α＂→（β＋α＇）→β＋α。因為TC10合金中有共析元素，也會產生共析反應。

3.1亞穩定β相分解

加熱溫度較低時，合金元素發生偏聚，β相分離為無數溶質原子貧化的微觀區域及相鄰的溶質原子富集的微觀區域，即β亞→β富+β貧（β＇），進一步提高溫度或延長時效時間，β相化學成分的不同，從β貧化區析出α＇相，并分解為平衡的α相及β相，即β貧（β＇）→α+β或β貧（β＇）→α＂→α+β及β富→α+β[2]。

3.2α＇相的分解

α＇相時效時分解為α相和β相，β在α＇相界面或亞結構上非均勻形核，在時效后期，當平衡β相量少時，α母相發生再結晶，當平衡β相量多時，β相在α＇相界面上形成連續的β層，即α＇→β＋α[3]。

3.3α＂相的分解

α＂相的分解較α＇要復雜一些，當時效溫度較高時，α相在α＂基體上均勻析出，隨后粗化，最終形成瘤狀區。也有研究發現，在一定的時效溫度范圍內，α＂分解的動力學方程可以表示為：α＂→α＇＋（β）→α＋β，即α＂相的分解經歷了α＇相的中間階段，也可以認為β→α＂轉變是β→α＇轉變的中間過程，這個過程在實際應用中是有意義的，因為α＇相的強度大于α＂相，可以通過控制時效溫度，使時效時α＂相分解生成α＇相，強化合金。

4、合金中各化合物相

TC10鈦合金中各元素中Al元素能夠固溶于α鈦，與鈦形成替代式固溶體；V元素與β鈦晶格類型相同，無限溶于β相，無化合物相；Sn元素是中型元素，在α鈦和β鈦中均有較大固溶度，無化合物相形成，Fe元素在一般的加工和熱處理過程中不能產生中間相，主要是以固溶強化形式強化合金；Cu元素與鈦發生共析相變，生產化合物由于Cu元素的快共析性質及在α相中低的固溶度，故可以通過時效沉淀強化來提高合金的強度。

5、工業生產中的熱處理方式

研究鈦合金的固態相變，其實就是研究鈦合金的熱處理，因為幾乎所有的相變都是發生在熱處理過程中，固態相變是熱處理的理論實質，熱處理是固態相變理論作用于實踐的主要方式，實際生產中，TC10合金熱處理方式主要有：淬火處理、淬火＋時效、普通退火、雙重退火、等溫退火等[4]。

5.1淬火處理

淬火處理指在β相存在的溫度下加熱和從該溫度的快速冷卻組成。對于TC10合金，淬火前的加熱在α+β區的溫度下進行，也有部分在β區的溫度下進行。

淬火過程中發生了馬氏體相變，即同素異構轉變，合金的塑性、韌性稍有升高，強度、硬度稍有降低。

5.2淬火＋時效

合金在淬火處理后，一般在α+β兩相區再進行時效處理，使淬火處理得到的亞穩相轉變為次生α相和β相，合金的硬度、強度升高，塑性、韌性降低。

5.3普通退火

普通退火是在合金的β轉變溫度以下20℃~250℃的溫度下加熱后空冷。其目的是使鈦合金消除基本應力，并具有較高的強度和符合技術要求的塑性。

除了普通退火，在生產中，為了完全消除加工硬化，以及更好的穩定組織和提高塑性，會使合金發生再結晶，即再結晶退火。加熱溫度介于再結晶溫度和相變溫度之間，若超過相變溫度會形成魏氏組織，使合金性能惡化。

5.4雙重退火

雙重退火是在普通退火的空冷后，再在合金的β轉變溫度以下250℃~450℃的溫度下加熱后空冷。

目的是為了改善合金的塑性、斷裂韌性和穩定組織，退火后合金組織更加均勻和接近平衡狀態。

5.5等溫退火

等溫退火是在合金的β轉變溫度以下20℃~160℃的溫度下加熱，隨后轉移到(或爐冷到）合金的β轉變溫度以下350℃~450℃的爐中保溫后空冷。此種退火是為了獲得更好的塑性和熱穩定性。

6、結語

綜上所述，TC10鈦合金相變中，冷卻過程主要有α、α＇、α＂相，都以α為主體進行表達，它們都是以α晶體結構為主衍生而來的，在形態和結構上，α＇、α＂相很難進行區分，后續的時效分解，所有的相最終分解成α和β相。根據TC10鈦合金成分，其化合物相有Ti3Al相和Ti2Cu相，都在約600℃時溶解，因為TC10合金的β穩定元素含量較高，所以除了常見的熱處理方式外，還可以進行等溫退火。

參考文獻

[1]WOODRA，FAVORRJ.鈦合金手冊[M].劉靜安，吳煌良，姚毅中譯.重慶:科學技術文獻出版社重慶分社，1983:75.

[2]辛社偉，趙永慶，曾衛東.鈦合金固態相變的歸納與討論(Ⅰ）—同素異構轉變［J］.鈦工業進展，2007，24（5）:23．

[3]辛社偉，趙永慶，曾衛東．鈦合金固態相變的歸納與討論（Ⅱ）—共析和有序化轉變［J］.鈦工業進展，2008，25（1）:40．

[4]張翥，王群驕，莫畏.鈦的金屬學和熱處理[M].北京:冶金工業出版社，2009:46.