时效温度对Ti662钛合金显微组织、织构及拉伸性能的影响

《Frontiers in Materials》：Effect of aging temperature on microstructure, texture and tensile properties of Ti662 titanium alloy

　　

为了研究时效温度对Ti662钛合金显微组织、织构及拉伸性能的影响，研究人员对热轧Ti662钛合金板材进行920 °C（2 h，水冷）固溶处理，并在不同温度（500 °C、530 °C、560 °C）下进行时效处理（6 h，空冷）。采用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）及室温拉伸试验，系统分析了合金的显微组织、物相组成、织构特征和力学性能。结果表明：固溶处理后合金的显微组织由初生α相、针状α′马氏体和正交结构α″马氏体组成；织构类型为R型，织构强度为3.04。时效处理后，亚稳马氏体相分解为二次α相和少量残余β相（经XRD和TEM分析证实），织构类型保持不变，但织构强度随时效温度升高从4.58增大至6.63。在力学性能方面，时效处理显著提高了合金的抗拉强度和屈服强度，但降低了断后伸长率。随时效温度从500 °C升高至560 °C，抗拉强度从1,431 ± 14.14 MPa增大至1,472 ± 14.09 MPa，屈服强度从1,172 ± 13.11 MPa增大至1,211 ± 13.18 MPa，伸长率从8% ± 1.41%降低至5% ± 1.40%。这些结果表明，不同时效温度下强度与塑性之间存在明显的权衡关系。在工程应用方面，对于需要兼顾强度与足够成形性或断裂安全性的部件，推荐530 °C时效作为优选工艺；而对于以最大化强度为主要设计目标的承载部件，560 °C时效更为适用。

钛合金按显微组织分为α型、β型和α+β型三类。α+β钛合金具有高损伤容限、良好室温和高温强度及优异耐蚀性，工程应用广泛。Ti662钛合金（对应国标TC10）是典型α+β双相合金，其强化除塑性加工外主要来自马氏体相变强化，因此热处理工艺是调控其力学性能的关键。已有研究主要关注固溶温度、退火工艺等对合金组织和性能的宏观影响，而对α′和α″马氏体在热处理中的演变以及热处理对织构的影响缺乏深入分析。为此，研究人员以热轧Ti662钛合金板材为对象，系统研究了时效温度对显微组织、织构和拉伸性能的影响，并建立组织-织构-性能关联。

研究人员将30 mm厚热轧板材加工成试样，先进行920 °C/2 h水冷固溶处理，再分别在500 °C、530 °C、560 °C时效6 h空冷。采用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）和室温拉伸试验进行表征。关键方法包括：试样取向为板材轧向（RD）；组织与断口观察用OM/SEM，定量分析用Image-Pro Plus 6.0；织构表征用EBSD；物相分析用XRD和TEM；拉伸试验按GB/T 228.1–2021进行，拉伸速率1 mm/min，每组3个有效试样取均值±标准差。

3.1 显微组织分析
原始热轧态由等轴状和短棒状初生α相及β转变组织组成。固溶处理后，部分初生α相溶解并趋于等轴，面积分数约32.5%±0.8%，平均直径4.2±0.5 μm；β转变组织边界模糊，冷却时亚稳β相发生马氏体转变形成针状α′相，并有少量亚稳β相残留。时效后β转变组织变得清晰，基体析出大量针状二次α相；初生α相含量基本不变（31.5%–32.1%），二次α相平均宽度随时效温度升高从1.21 μm增至2.16 μm，这归因于时效温度升高使相变驱动力增大、析出相长大合并。

3.2 物相分析
XRD显示固溶态存在α′相衍射峰，α″相因正交结构而具有独立衍射峰；时效后α′和α″衍射峰消失，出现α和β相峰。TEM进一步证实固溶态含有α′和α″相，时效后只观察到二次α相，未发现马氏体相。因此，时效后物相由α+α′+α″转变为以α+β为主。

3.3 织构分析
固溶态合金呈现R型织构，即{0001}基面极点从法向（ND）向轧向（RD）倾斜，织构强度为3.04。时效后织构类型不变，但强度随时效温度升高增大至4.58、5.40和6.63。原因在于二次α相析出通过钉扎晶界和协调局部应力强化了初始R型织构；温度越高，原子扩散越充分，同取向晶粒择优生长越明显。

3.4 力学性能分析
固溶态抗拉强度（R_m）为1,236 ± 14.14 MPa，屈服强度（R_p0.2）为971 ± 10.61 MPa，伸长率（A）为12% ± 1.41%。时效后强度提高、塑性下降：随时效温度从500 °C升至560 °C，R_m从1,431 ± 14.14 MPa增至1,472 ± 14.09 MPa，R_p0.2从1,172 ± 13.11 MPa增至1,211 ± 13.18 MPa，A从8% ± 1.41%降至5% ± 1.40%。强化主要来源于二次α相析出及固溶元素富集引起的晶格畸变；α″相软化效应使固溶态强度低于时效态。尽管二次α相粗化，但织构强化和固溶强化增强补偿了粗化引起的强度损失。强度-塑性乘积在530 °C达到峰值，故530 °C为兼顾强度与塑性的优选时效温度。

3.5 断口形貌分析
所有试样断口均以等轴韧窝为主。固溶态平均韧窝尺寸约3.2 ± 0.8 μm；时效后韧窝尺寸逐渐减小至2.8、2.5和2.1 μm（对应500、530、560 °C），二次裂纹面密度从约0.8 mm^-2增至2.1 mm^-2，撕裂棱随时效温度升高更明显。这归因于二次α相析出增多提供了更多微孔形核位置，并使裂纹扩展路径更曲折，导致塑性下降；但撕裂棱形态主要反映局部断裂行为，不能直接作为强化机制指标。

研究人员提出“马氏体分解→二次α析出→织构强化→强度升高/塑性降低”的多层次耦合机制，并认为织构强度变化是连接析出强化与塑性损失的关键桥梁。与文献中Ti662棒材时效后二次α粗化导致强度下降的规律不同，本研究薄板中强度持续升高，可能与板材冷却更均匀、织构强度定量增加以及二次α体积分数补偿有关。研究局限包括：织构强化机制缺少原位EBSD晶界取向差和KAM统计的直接验证；断口定量统计精度有限；仅考察三个时效温度和30 mm厚热轧板，结论向其他产品形式的推广需进一步验证。总体结论为：固溶态组织为α+α′+α″，R型织构强度3.04；时效后马氏体分解为二次α相和少量残余β相，织构类型不变但强度增至4.58–6.63；强度升高、塑性下降；530 °C时效综合性能最佳，560 °C适用于以强度优先的承载部件。