水淬处理Ti6Al4V-5Cu合金在不同温度下的微观组织、拉伸性能与断裂韧性研究

《Materials & Design》：Microstructure, tensile, and fracture toughness properties study on a water-quenched as-cast Ti6Al4V-5Cu alloy at different temperatures

　　

中文摘要翻译： 热处理对Ti6Al4V-5Cu合金的微观组织演变具有显著影响。在α+β相区范围内，Ti6Al4V-5Cu合金的断裂韧性呈现下降趋势。该合金在790°C水淬处理后表现出较高的屈服强度和极限抗拉强度。

论文解读文章：

一、研究背景与意义

钛及钛合金因其优异的耐腐蚀性能、低弹性模量和卓越的比强度，被广泛应用于航空航天、化工、医疗器械及体育器材等领域。Ti-Cu系合金凭借其良好的生物相容性和抗菌性能，在骨科植入物和牙科修复材料中具有重要应用价值。在Ti6Al4V合金中添加铜元素后，会析出Ti₂Cu金属间化合物，该析出相对合金的延伸率产生显著影响。然而，钛合金的广泛应用在一定程度上受到其延展性、应变硬化能力和断裂韧性不足的限制。断裂韧性是反映材料损伤容限性能的重要指标，其值受微观组织特征的显著影响。尽管合金化元素添加对Nb-Ti-Si系高温合金断裂韧性的影响已有研究，但针对水淬热处理对Ti6Al4V-5Cu合金微观组织、拉伸性能和断裂韧性综合影响的研究仍较为缺乏。因此，研究人员开展本研究旨在系统探究不同温度水淬处理对Ti6Al4V-5Cu合金微观组织演变、590°C下的拉伸性能以及断裂韧性的影响规律，并揭示其断裂机制，为该合金在极端承载条件下的植入物应用提供理论依据。

二、研究内容与主要结论

研究人员以沈阳金属研究所提供的Ti6Al4V-5Cu合金铸锭为原料，通过差示扫描量热法（DSC）测定该合金的β相变温度为920°C。将合金试样分别在730°C、740°C、790°C、840°C、890°C和940°C温度下保温1小时后进行水淬处理，系统研究了不同热处理温度对合金微观组织、拉伸性能和断裂韧性的影响。研究发现，热处理温度对合金微观组织具有显著影响：730°C处理后可清晰观察到晶界；740°C处理后出现魏氏组织和等轴组织混合形貌；790°C处理后晶界性质、相变行为和金属间化合物析出均发生变化；840°C处理后形成篮筐编织状与等轴状混合组织；890°C处理后α-Ti相在β-Ti基体中高度均匀分布；940°C处理后β-Ti相占主导，Ti₂Cu以细小颗粒形式存在于β-Ti基体中。拉伸试验结果表明，790°C水淬处理的合金表现出最高的屈服强度（390 MPa）和极限抗拉强度（427.7 MPa），这归因于Ti₂Cu金属间化合物对α/β相界面的强化作用及其对α稳定元素扩散的阻碍作用。在β相变温度920°C处理时合金强度最低，而940°C处理后合金塑性显著提升，断面收缩率达58.2%。断裂韧性测试表明，在α+β相区范围内合金的断裂韧性呈下降趋势。

三、关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：差示扫描量热法（DSC）测定合金相变温度；X射线衍射（XRD）分析物相组成；光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）观察微观组织形貌；电子探针显微分析（EPMA）进行元素分布表征；依据GB/T228.2-2015标准在Instron万能试验机上于590°C进行准静态单轴拉伸试验；依据ASTM E399-2017标准制备紧凑拉伸（CT）试样进行断裂韧性测试。

四、研究结果分析

3.1 X射线衍射（XRD）分析与物相鉴定

通过XRD分析不同温度水淬处理后样品的物相组成，检测到α相的最高衍射峰，在2θ角约38°处存在较弱的β相衍射峰，同时鉴定出Ti₂Cu金属间化合物析出相。

3.2 温度对Ti6Al4V-5Cu合金微观组织的影响

利用SEM观察不同温度水淬处理后合金的微观组织特征。730°C处理后晶界清晰可见；740°C处理后出现魏氏组织和等轴组织混合形貌，Ti₂Cu呈针状形貌；790°C处理后晶界性质、相变行为和金属间化合物析出均受到影响；840°C处理后形成篮筐编织状与等轴状混合组织，水淬导致组织扁平化并形成片状结构；890°C处理后α-Ti相在β-Ti基体中高度均匀分布，Ti₂Cu以细小颗粒存在于转变后的β-Ti基体中；940°C处理后β-Ti相占主导，Ti₂Cu以非常细小的颗粒形式存在于β-Ti相基体中，其形成归因于α向β相变过程中发生的固态扩散反应。

3.3 真应力-应变曲线

590°C下真应力-应变曲线显示，790°C水淬处理样品具有最高的屈服强度和极限抗拉强度，这归因于Ti₂Cu金属间化合物提供的α/β相界面强结合力及其对Al等α稳定元素向β相基体扩散的阻碍作用。920°C处理样品强度最低，可能与α向β相变程度较高及α稳定元素扩散程度较大有关。790°C后强度降低而塑性显著提升。DSC分析显示891°C处存在放热转变，而金相分析确定α向β相变发生在920°C。790°C处理样品的SEM分析揭示了扭折α层片结构的形成和β相的存在，这与该温度下界面能降低和α/β相共格性增强有关。

3.4 温度对Ti6Al4V-5Cu合金断裂韧性性能的影响

依据ASTM E399标准，采用宽度W为40 mm、厚度B为20 mm的CT试样进行断裂韧性测试，通过载荷-裂纹尖端张开位移（CTOD）曲线计算条件断裂韧性K_Q和K_IC。结果表明，在α+β相区范围内，合金的断裂韧性呈现下降趋势。

五、讨论与结论总结

讨论部分重点分析了热处理温度对微观组织演变和力学性能的影响机制。Ti₂Cu金属间化合物的析出行为受热处理温度和水淬条件的显著影响，其形貌、尺寸和分布直接决定了合金的强化效果。在790°C处理时，Ti₂Cu析出相与α/β相界面的强共格性增强了界面结合力，同时阻碍了α稳定元素的扩散，从而实现了最佳的强度匹配。随着热处理温度升高至β相变温度以上，α相向β相转变程度增大，Ti₂Cu析出相发生溶解和粗化，导致强度下降而塑性提升。断裂韧性在α+β相区的下降趋势与微观组织中析出相的分布和形态演变密切相关。研究结论表明，水淬热处理是调控Ti6Al4V-5Cu合金微观组织和力学性能的有效手段，790°C水淬处理可获得最优的强度性能，而高温水淬处理可显著提升合金塑性，为该合金在承重植入物等极端工况下的应用提供了工艺优化依据。