TC10钛合金相变及热处理

董晓锋 张明玉 杨再江 杨学新

（①新疆湘润新材料科技有限公司 哈密839000②大连交通大学连续挤压教育部工程研究中心 大连 116028）

1 前言

TC10（名义成分为Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Fe-0.5Cu）是一种富β 稳定元素的两相高强钛合。其具有良好的力学性能、耐热性能以及耐蚀性等特点，在航天航空领域、海洋工程领域以及石油勘探等领域都有广泛的应用。

TC10 钛合金固态相变通常发生在热处理过程中，相变的研究实际就是研究其热处理过程，两相钛合金相变的种类主要有同素异构转变、共析转变和有序化转变[1]。

2 冷却过程中的相变

2.1 马氏体相变

TC10 合金含富β 稳定元素，在其β 相区或接近(α+β）/β 相变点进行高温淬火时，β 相析出的过程来不及进行，β 相的晶格结构不易被冷却速度所抑制，仍然发生了转变[3]。这种原始β 相的成分未发生变化，晶格结构发生了变化的过饱和固溶体便是马氏体。

2.1.1 α＇相变

当β 相的晶格由体心立方晶格转变为密排六方晶格，这种具有六方结构的过饱和固溶体称为六方马氏体，以α＇来表示，α＇相变为马氏体相变中的一种，是在快速冷却的过程中通过非扩散切变而形成的。

2.1.2 α＂相变

当β 相的晶格不能转变为密排六方晶格时，其转变为斜方晶格。这种具有斜方晶格的马氏体称为斜方马氏体，以α＂来表示。α＂相是由β 相以非扩散转变形成的过饱和非平衡斜方相，是马氏体相变中的一种。

2.2 α相变

当冷却速度较慢时，会发生α相变，也称为近平衡相变，其相变过程中的同素异构转变是通过原子扩散进行的，而不是切变。由于冷却速度很慢，此类相变得到的组织为近平衡组织，没有时效强化效果，有较好的塑性，但是强度较低，一般退火炉冷过程中都会发生此类相变。

3 时效过程中的相变

TC10 钛合金在冷却过程中存在不稳定相，这些相在随后时效过程中会发生分解，根据保留相的不同，在时效过程中主要相变有：β→α，α＇→β＋α，α＂→（β＋α＇）→β＋α。因为TC10 合金中有共析元素，也会产生共析反应。

3.1 亚稳定β相分解

加热温度较低时，合金元素发生偏聚，β 相分离为无数溶质原子贫化的微观区域及相邻的溶质原子富集的微观区域，即β 亚→β 富+β 贫（β＇），进一步提高温度或延长时效时间，β 相化学成分的不同，从β贫化区析出α＇相，并分解为平衡的α相及β相，即β贫（β＇）→α+β 或β贫（β＇）→α＂→α+β及β富→α+β[2]。

3.2 α＇相的分解

α＇相时效时分解为α相和β相，β在α＇相界面或亚结构上非均匀形核，在时效后期，当平衡β相量少时，α母相发生再结晶，当平衡β相量多时，β相在α＇相界面上形成连续的β层，即α＇→β＋α[3]。

3.3 α＂相的分解

α＂相的分解较α＇要复杂一些，当时效温度较高时，α相在α＂基体上均匀析出，随后粗化，最终形成瘤状区。也有研究发现，在一定的时效温度范围内，α＂分解的动力学方程可以表示为：α＂→α＇＋（β）→α＋β，即α＂相的分解经历了α＇相的中间阶段，也可以认为β→α＂转变是β→α＇转变的中间过程，这个过程在实际应用中是有意义的，因为α＇相的强度大于α＂相，可以通过控制时效温度，使时效时α＂相分解生成α＇相，强化合金。

4 合金中各化合物相

TC10 钛合金中各元素中Al 元素能够固溶于α钛，与钛形成替代式固溶体；V 元素与β 钛晶格类型相同，无限溶于β 相，无化合物相；Sn 元素是中型元素，在α 钛和β 钛中均有较大固溶度，无化合物相形成，Fe 元素在一般的加工和热处理过程中不能产生中间相，主要是以固溶强化形式强化合金；Cu元素与钛发生共析相变，生产化合物由于Cu 元素的快共析性质及在α 相中低的固溶度，故可以通过时效沉淀强化来提高合金的强度。

5 工业生产中的热处理方式

研究钛合金的固态相变，其实就是研究钛合金的热处理，因为几乎所有的相变都是发生在热处理过程中，固态相变是热处理的理论实质，热处理是固态相变理论作用于实践的主要方式，实际生产中，TC10 合金热处理方式主要有：淬火处理、淬火＋时效、普通退火、双重退火、等温退火等[4]。

5.1 淬火处理

淬火处理指在β 相存在的温度下加热和从该温度的快速冷却组成。对于TC10合金，淬火前的加热在α+β 区的温度下进行，也有部分在β 区的温度下进行。

淬火过程中发生了马氏体相变，即同素异构转变，合金的塑性、韧性稍有升高，强度、硬度稍有降低。

5.2 淬火＋时效

合金在淬火处理后，一般在α+β 两相区再进行时效处理，使淬火处理得到的亚稳相转变为次生α相和β相，合金的硬度、强度升高，塑性、韧性降低。

5.3 普通退火

普通退火是在合金的β 转变温度以下20℃～250℃的温度下加热后空冷。其目的是使钛合金消除基本应力，并具有较高的强度和符合技术要求的塑性。

除了普通退火，在生产中，为了完全消除加工硬化，以及更好的稳定组织和提高塑性，会使合金发生再结晶，即再结晶退火。加热温度介于再结晶温度和相变温度之间，若超过相变温度会形成魏氏组织，使合金性能恶化。

5.4 双重退火

双重退火是在普通退火的空冷后，再在合金的β转变温度以下250℃～450℃的温度下加热后空冷。目的是为了改善合金的塑性、断裂韧性和稳定组织，退火后合金组织更加均匀和接近平衡状态。

5.5 等温退火

等温退火是在合金的β 转变温度以下20℃～160℃的温度下加热，随后转移到(或炉冷到）合金的β转变温度以下350℃～450℃的炉中保温后空冷。此种退火是为了获得更好的塑性和热稳定性。

6 结语

综上所述，TC10钛合金相变中，冷却过程主要有α、α＇、α＂相，都以α为主体进行表达，它们都是以α晶体结构为主衍生而来的，在形态和结构上，α＇、α＂相很难进行区分，后续的时效分解，所有的相最终分解成α 和β 相。根据TC10 钛合金成分，其化合物相有Ti3Al相和Ti2Cu相，都在约600℃时溶解，因为TC10 合金的β 稳定元素含量较高，所以除了常见的热处理方式外，还可以进行等温退火。