钛及钛合金因其独特且优异的性能属性,在诸多领域展现出了巨大的应用潜力 [1] 。由于钛及钛合金拥有极低的密度,相较于许多传统的金属材料,能够显著减轻结构件的重量,这对于追求高效节能、减重增效的现代工业设计来说至关重要,特别是在航空航天领域,其能够直接影响飞行器的燃油效率和载荷能力,从而有效提升竞争力 [2 , 3] 。 TC11钛合金作为一种十分广泛应用的 α＋ β 两相钛合金,在塑性加工过程中,其表现出卓越的热稳定性以及良好的热塑性变形能力,能适应各种复杂的热成型工艺,如    热轧、热挤压、热锻造等,能够实现复杂零部件的精确成形,使得其在众多领域都有广泛的应用 [4 , 5] 。

当前,对于 TC11钛合金的热处理工艺研究较多,且取得了丰富的研究成果。其中,王晓亮等 [6] 研究了不同退火组织对 TC11钛合金动态冲击性能的影响,详细研究了合金经不同退火工艺处理后的微观组织演变趋势,分析了初生 α_ｐ 相与次生 α _ｓ 相在退火温度改变过程中的演变趋势,并研究了合金相对应的室温准静态和动态力学性能。张明玉等 [７] 研究了固溶时效处理对 TC11钛合金组织与冲击性能的影响,系统研究了合金在不同固溶时效工艺下的组织结构演变规律,并对不同组织结构的形成机理进行了分析,且对不同组织的冲击性能做出了分析。

朱宁远等 [8] 研究了固溶时效处理对TC11钛合金显微组织和硬度的影响,其主要研究了时效温度确定,而固溶温度与固溶时间改变的条件下,合金的微观组织变化规律,对组织中的物相组成做了详细的分析。同时研究了合金硬度在不同固溶温度以及固溶时间条件下的变化趋势,并给出了最佳的固溶时效制度。可以发现,在众多热处理工艺中,固溶时效热处理占据关键且核心的地位,因为其特有的强化机制,对合金微观结构调控、性能优化起着决定性作用。此外,其对后续的时效处理,能提供十分重要的理论支持。但发现目前无论是固溶处理还是固溶时效处理,其设定的固溶处理温度主要以较低的两相区温度为主,鲜有其他温度区间的研究。因此,本文深入探究 TC11钛合金的固溶处理工艺,除了常见的两相区温度外,还设置了单相区温度对合金进行固溶处理,研究其微观组织与力学性能的演变,研究结果不仅能有效指导实际生产操作,更是对其整体性能提升与工程应用提供了重要理论依据。

1、实验

以 TC11钛合金棒材为本次实验的研究材料,采用真空自耗电弧炉进行铸锭熔炼,为确保有效去除原材料中的杂质,并确保合金成分的纯净度和均匀性,设置熔炼次数为 3 次。铸锭熔炼完成后,再对其进行多火次锻造加工,最终将铸锭锻造成直径为150ｍｍ 的实验用钛合金棒材。通过电感耦合等离子体发射光谱对 TC11钛合金棒材成分进行测试分析,测定其化学成分具体为（质量分数, ％ ）：6.61Al 、3.11Mo 、 1.53Zr 、 0.322Si 、 0.14Ｏ 、 0.15Fe 、 Ti余量。

随后采用连续升温金相法进行相变点温度检测,实测得出 TC11钛合金的相变点温度为993℃ 。为深入探究固溶处理对 TC11钛合金微观组织以及拉伸性能的影响,分别选取了多个不同的温度区间（包含两相区温度与单相区温度）进行加热处理,即 940℃ 、 960℃ 、 980℃ 和 1000℃ ,并对每个温度下的试样进行2 小时恒温保温处理,加热完成后立即进行水冷处理,详细热处理制度为（940 ℃ 、 960℃ 、 980℃ 、 1000 ℃ ） ×2ｈ×ＷＣ 。随后对经过不同固溶温度处理后的试样进行微观组织分析与拉伸性能测试。其中,利用型号为SOPTOP的光学显微镜对试样微观组织进行观察和拍照。合金的拉伸性能则使用型号为 Ｉｎｓｔｒｏｎ － 8801 型的万能试验机进行测试,分别测试合金的强度（包括抗拉强度与屈服强度）与塑性（包括断后延伸率及断面收缩率）。待拉伸性能测试完成,对拉伸断口进行切割,并通过超声波清洗仪 对拉 伸 断 口 进 行 清 洗,最 后 使 用Nova －ＮａｎｏＳＥＭ50 型场发射扫描电子显微镜对拉伸断口的微观形貌进行观察分析。

2、试验结果与分析

2.1　 微观组织分析

图1展示了 TC11钛合金在经历了不同固溶温度处理后,其内部微观组织所发生的形态变化规律。

根据图1所示,组织中初生 α 相（密排六方结构）的数量随着固溶温度的升高而呈现逐渐减少的趋势,且其含量以及尺寸在固溶温度接近相变点时显著下降。并发现初生 α 相在固溶温度超过相变点后完全从组织中消失,在此过程中,随着初生 α 相含量以及体积的减少,组织中α＇相（六方马氏体结构）的含量在组织中的占比则呈现出稳步增长的趋势。

α＇相的形成和长大是由于在固溶处理过程中,组织中的金属元素重新分布并析出新的相,这一过程不仅体现了合金微观结构的动态演变,也直接关系到合金整体力学性能的改变。

进一步进行分析,合金经 940℃ 固溶处理后（图1ａ ）,组织中除了大量形貌各异的初生 α 相（位置Ａ ）外,还有大量细小形貌的α＇相（位置 Ｂ ）,二者在组织中均匀且弥散分布。合金经960℃固溶处理后（图1ｂ ）,发现初生 α 相形貌几乎未发生变化,但含量以及尺 寸 略 有 减 少。进 一 步 提 高 固 溶 温 度 至980℃时（图1ｃ ）,此时初生 α 相的含量以及尺寸在组织中大幅度降低,这是由于加热温度已接近合金的相变点,β 基体中溶解了更多的初生 α 相所致。此外发现组织中明显析出了更多的 α＇相,这是因为在加热完成后的水冷阶段,快速的冷却会使组织形成较高的过冷度,在形成过饱和固溶体的同时,组织中更多的 β 相也会转变成为α＇相[9] 。在固溶温度升高至单相区温度1000 ℃ 时（图 1ｄ ）,原本存在于组织中的初生 α 相已完成了与 β 基体的充分混合并完全溶解于其中。这是由于高温极大地增强了原子活动能力,α 相 完 全 转 变 为 β 相,并 均 匀 融 入 到 基 体中 [10] 。随后进行的水冷处理环节中,快速冷却方式使得原本均匀单一的 β 相并未能够得到充分且有序的析出和转变,导致最终形成的组织结构呈现出典型的魏氏组织特征,即形成了粗大的 β 晶粒形态,同时大量细小、弥散的α＇相均匀分布在粗大 β 晶粒内部。

2.2　 拉伸性能分析

图2展示了经过不同固溶温度处理后合金的拉伸性能对比情况,通过分析图2可知,在抗拉强度（ Ｒ_ｍ ）这一指标上,当固溶温度逐步从一个较低值调整至更高时,合金抗拉强度由最初的 1313 ＭＰａ最终递增到1365 ＭＰａ的峰值水平,即合金的抗拉强度随固溶温度的升高也随之呈现出上升趋势。合金的屈服强度（ ＲＰ0.2 ）也呈现出了与抗拉强度一致的变化规律,其数 值由最初 的 1120 ＭＰａ 增 加 到1194ＭＰａ 。在塑性性能方面,合金的断后延伸率（ Ａ ）以及断面收缩率（ Ｚ ）两项关键指标均随着固溶温度的提高而表现出下降趋势。其中,断后延伸率（ Ａ ）从初始的 12％ 逐渐降低到 1％ ,断面收缩率（Ｚ ）也经历了从2７％降至4％的过程。

综上所述,图 2 清晰地揭示了固溶温度变化对合金拉伸性能的双重影响：一方面,固溶温度的提高有助于强化合金的抗拉强度和屈服强度；另一方面,过度提高固溶温度却会导致合金塑性性能的显著降低。因此,在实际生产与应用中,需要根据材料的实际需求和服役条件,合理选择和控制固溶处理的温度,以实现合金强度与塑性的最佳平衡。

在探讨合金拉伸性能与其热处理工艺之间的关联时,固溶温度作为关键参数之一,对合金微观组织结构及其力学性质会产生显著的影响。当合金固溶温度设定在两相区内时,此时的组织主要包含初生α 相以及少量的 α＇相。相关文献指出[11] ,合金的强度在很大程度上会受到α＇相的含量的影响,这是因为 α＇相形貌十分细小,在合金拉伸变形时,α＇相内部会产生一定量的位错,这些位错易在晶界位置集聚并形成位错塞积,进而增加合金抵抗外力的能力,从而提高合金的强度。而合金的塑性性能则是更多的受到初生 α 相在组织中的含量所影响。组织中的初生 α 相能有效地协调合金在塑性变形过程中其内部的变形分布情况,合金内的平均自由程在初生 α 相含量较高时会相应减小,即滑移带间距随之缩窄,这有利于拉伸过程中位错线的均匀分散,减少位错塞积现象的发生 [12] 。这一系列微观机制有效延缓了拉伸期间空洞的成核及扩展进程,从而提升了合金组织的塑性变形能力。

组织中原有的初生 α 相在固溶温度升高至单相区时完全溶解消失,此时的合金组织以粗大的 β 晶粒为主。有相关文献研究表明 [13] ,在这种组织状态下,合金在拉伸时,粗大 β 晶粒的晶界处更加容易有空洞形成,进而快速发生扩展并断裂,从而使得合金塑性性能大幅降低。综合上述分析,固溶温度的选择对合金微观组织结构的演变及其强度、塑性等力学性能具有至关重要的调控作用。

2.3　 拉伸断口分析

图3展示了 TC11钛合金拉伸试样在不同固溶温度下的断口扫描电子显微镜图片,从图3ａ中可以观察到,固溶温度较低时的拉伸断口表面起伏不平,高度差异显著,表明在断裂过程中经历了较为复杂的变形过程。此外,断口中韧窝（位置 Ｃ ）的数量较多,且韧窝的尺寸较大且深度较深,这揭示了合金具有较好的塑性变形能力,表现出典型的韧性断裂特性。图3ｂ所示的拉伸断口与图3ａ类似,同样分布着大量细小且均匀分散的韧窝结构,进一步印证了合金在拉伸断裂时具备良好的韧性特征。这种均匀分布的韧窝现象说明,在固溶温度较低的状态下,合金内部的位错活动和能量耗散机制得以有效进行,从而增强了合金整体的塑性变形能力。

发现图 3ｃ 与图 3ｄ 的拉伸断口表面韧窝数量与尺寸均明显减少,这意味着合金的塑性性能有所下降。此时的断口主要以河流状花样和解理台阶为典型特征,这是脆性断裂的直观表现,说明在此条件下,合金的脆性倾向增强,更容易沿着晶界发生快速断裂。进一步观察发现,拉伸断口中还出现了二次裂纹（位置 Ｄ ）和撕裂棱（位置 Ｅ ）,表明合金在断裂过程中受到了局部应力集中的影响,导致裂纹路径发生了非直线型扩展,上述现象表明合金的强度增加,但塑性较差。

3、结论

（1 ）组织中具有密排六方结构初生 α 相的数量随着固溶温度的升高而减少,且其含量在固溶温度接近相变点时显著下降。并发现初生 α 相在固溶温度超过相变点后完全从组织中消失。此外,具有六方马氏体结构的 α＇相在组织中含量不断增加。

（2 ）固溶温度的提高有助于强化合金的抗拉强度和屈服强度,但合金塑性性能在此过程中会不断降低。因此要根据实际需求,合理选择和控制固溶处理的温度,以实现合金强度与塑性的最佳平衡。

（3 ）固溶温度较低时的拉伸断口表面起伏不平,断口中韧窝的数量较多,且韧窝的尺寸较大且深度较深。当固溶温度较高时,拉伸断口表面韧窝数量与尺寸均明显减少,拉伸断口主要以河流状花样和解理台阶为典型特征,且出现了二次裂纹和撕裂棱。

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