面向外科植入领域的TC20钛合金热处理工艺优化研究——聚焦空冷单重热处理制度，探究温度对初生α相/β转变组织的调控作用，实现强度与塑韧性的稳定匹配

钛及钛合金因其具有质轻､比强度高以及优异的生物相容性等特性，被广泛应用于航空航天､高端运输装备以及人体内骨骼置换领域。TC20 (Ti-6Al-7Nb) 与 TC4 (Ti-6Al-4V) 机械性能相当，且以稳定无毒的 β 稳定元素 Nb 替换对人体有危害作用的 V 元素，因此作为第二代 α+β 型合金被广泛应用于外科植入等领域。

作为医学领域关键性金属材料，其微观组织与使用性能的稳定也必将是保障其工业产品环境耐受度的首要考虑因素，因此广大学者对其进行了广泛研究。其工艺制备流程相对复杂，并且对加热设备要求较为严格：例如南昌航空大学钟明君等人指出，经 950℃×0.5h.WQ+500℃×4h.AC 固溶时效处理后，TC20 钛合金组织稳定且强韧性得到良好匹配；新疆湘润新材雷文光等人通过控制固溶冷却方式以及时效温度以调整初生 α 相与次生 α 相含量以及形态，采用三重热处理工艺，在保证性能的前提之下，解决了其工业棒材生产时直线度的问题等。上述研究均为两重及三重热处理，高温固溶后采用水冷，针对棒材整体热处理，采用整体水冷，工业化生产控制难度较大，同时热处理过程的控制对性能波动的影响较大。

为此，本文选用宝钛集团生产的精锻棒材，在不同热处理温度下对精锻棒材进行热处理试验，旨在明确单要素 (温度) 对其组织与性能的影响，最终探明组织与性能两者趋于稳定时的最大热处理温度范围窗口，为不同生产设备下使用热处理手段增强增韧等实际工业生产提供可操作性指导。

1、试验材料以及方法

试验所用材料为经真空自耗电弧炉二次熔炼得到的直径为 φ696mm 铸锭，经过 β 区锻造 + 两相区锻造 (镦粗和拔长)+ 两相区径向锻造等一系列工序生产的 φ32mm 精锻棒材。根据 YS/T 1262-2018 的试验方法测得化学成分见表 1，经连续升温金相法测得该棒材本体相变点为 1001℃。

热处理试验在箱式电阻炉中进行，表 2 为热处理制度；检测显微组织采用 Axiovert 200 MAT 光学显微镜，利用 Clemex 成像软件配合光学显微镜确定显微组织中初生 α 相的体积分数，室温拉伸性能检测使用 Instron 5885 电子万能材料试验机，室温冲击韧性使用 JNS 300 摆锤式冲击试验机。

表 1 铸锭化学成分 (质量分数，%)

表 2 经锻棒材热处理制度

注：热处理时间均为 1.5h，冷却方式均为空冷。

2、试验结果与讨论分析

热处理温度对材料微观组织的影响

TC20 合金棒材经不同温度热处理下的显微组织见图 1，可以看出，合金经 650℃×1.5h~900℃×1.5h 热处理后，其精锻棒材的微观组织为典型的等轴组织，即初生 α 相占主导地位，辅之以一定量的 β 转变组织，并且随着热处理温度的升高，其 β 转变组织逐渐增多，形态也由均匀零星分布逐渐连结成片 (其尺寸在 8μm~10μm 不等)；950℃×1.5h 热处理见图 1 (h)，其微观组织为典型的双态组织，显微组织中 β 转变组织与初生 α 相含量基本持平，并且 β 转变组织中的 α 片层以及残余 β 片层数量均有增多；随着加热温度的升高，初生 α 相对温度更加敏感，1000℃×1.5h 热处理见图 1 (i)，此时初生 α 相含量急剧减少，只存在个别尺寸较小的初生 α 相残留，并且此时的片层状 α 相发生细化，晶内不同位置出现取向不同的集束现象。由此可见，热处理温度的变化对于初生 α 相含量、次生 α 相的含量以及形貌有一定的影响。

3、微观组织与力学性能的相关性讨论

不同热处理状态下的室温拉伸性能 (图 2a) 与冲击性能 (图 2b) 的变化趋势如图 2 所示，可以看出，在 650℃×1.5h~950℃×1.5h 温度区间，随着热处理温度的升高，TC20 钛合金抗拉强度与屈服强度逐渐降低，断后伸长率与断面收缩率逐渐增大。值得注意的是：热处理制度在 750℃×1.5h~850℃×1.5h 范围时，其各项室温力学性能较为稳定，数据基本无波动，此时实现了强度与塑韧性之间的良好匹配；而热处理温度低于 750℃时，其塑韧性指标相对较低。

结论

当热处理温度在 750℃~850℃之间时，TC20 钛合金在保证强度的同时塑韧性不会过多损失，实现了强度与塑韧性的良好匹配，该温度范围为其组织与性能趋于稳定的最佳热处理温度窗口。

（注，原文标题：热处理温度对TC20钛合金组织与性能的影响）