钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好、可焊性强等特点，在航空航天、医疗卫生等领域中得到广泛应用[1-3]。在化学成分及制备工艺、加工成型条件一定的情况下，合金的组织结构通常取决于热处理工艺[4-5]。不同的热处理条件下，合金具有不同的微观结构，因此 ，制定合理的热处理工艺，研究其组织形貌和性能间的关系、有效地将合金组织结构调控到合理的状态 ，是拓宽合金应用范围、降低成本的主要方法。TA17钛合 金 是 源 于 前 苏 联 ⅡT-3B 的 近α型钛合金 ，为典型的三元合金，经过退火后，除 大量α相以外 ，还有少量（1-% 以下）β相形成，β相弥散分布在α基体中，形成的a/β相界面能够阻碍位错运动，提升了合金的强度和硬度[6-7]。
本文对比研究了不同退火温度和冷却速率对TA17钛合金的微观组织和力学性能的影响，同时分析了其在拉伸过程中的断裂类型。通过调整热处理工艺，获得了具有良好强度与塑性匹配的TA17合金 ，为实际生产应用提供一定的理论指导。
1、试验材料与研究方法
试验使用的TA17钛合金名义化学成分为Ti-4Al-2V-0.1Fe,实测化学成分见表1。试验所使用的钛合金坯料为经过挤压成型的圆柱形棒料，使用线切割加工，将坯料加工成如图1 所示的拉伸试样，以及10mm×l0 mm×2mm的组织试样。
使 用 沈阳科晶KSL-1200X 箱式电阻炉进行退火处理，退火温度分别选择820°C 和 910°C ，冷却方式采用水冷、空冷和炉冷，具体退火工艺及试样编号如表2所示。采用德国蔡司Axiouert4 0 型金相显微镜观察退火前后合金的微观组织形貌。在室温环境,使用Instron电子万能拉伸试验机进行拉伸试验，并使用美国FEIQUANTAFEG650型扫描电镜观察合金的拉伸断口形貌。利用HXD-1000T 型数字式显微硬度计测试退火前后钛合金的维氏硬度。
2、试 验 结 果 及 分 析
2 . 1 退火工艺对TA1 7 钛合金微观组织的影响
图 2 为 TA17钛合金经不同退火工艺处理后的微观组织形貌。挤压态合金为热挤压棒材，在热与应力的共同作用下，合金发生显著的动态再结晶现象,形成了细小的针片状α型以及晶间β相（图 2 ( a ) ) 。经 过 820°C退火处理，变形态合金内部储存的畸变能释放，形成显著的再结晶组织。由于TA17合金中(3相稳定元素较少，在冷却过程中β相在室温无法
完全保留，α型发生扩散相变，形成均匀分布的α型和等轴β相。对 比 820°C退火经3 种不同冷却方式的组织试样，可以观察到等轴组织的细化现象，表明随着冷却速率的降低（水冷-空冷-炉冷），合金元素在溶质的扩散能力增加，形成更加弥散分布的等轴β相。而当退火温度为9 KTC时，微观组织由板条状α型和晶间β相组成，说明较高的退火温度有利于近 a 钛合金在室温保留β相。但经过退火，针片状a 尺寸显著增大，且 β相的体积分数也明显提高。并且 在 910°C退 火 /水冷时，除了片状α型，还有等轴的初生α型产生，形成了明显的双态组织（图 2(e ))。当采用炉冷时，冷却速度较慢，α型在冷却过程中缓慢析出，组织较为粗大，形成板条状α型和晶间β相 。
2 . 2 退火工艺对TA1 7 钛合金力学性能的影响
表 3 为 TA17钛合金经不同退火工艺处理前后拉伸力学性能的对比。由于挤压态合金为热挤压状态 ，在热变形过程中发生动态再结晶，形成细小的微观组织，有利于提高合金的力学性能，因此，挤压态合金具有8.9%伸长率的同时还保留了较高的强度。经 820 °C退火处理后，合金组织为α基体与等轴β相的结构，因此导致合金强度与塑性发生了不同程度的下降。通过观察可以发现在82(TC退火的合金，当冷却速度较慢时(炉冷），合金强度高于挤压态，为1046.8MPa, 表明均匀弥散分布的析出相有利于合金强度提升，其综合力学性能较好。相比而言，910°C退火的合金具有较高的强度，这种现象的原因是HCP结 构 的 α型 与 B C C 结 构 的 (3相相间分布，形成大量α/β相界面，在变形过程中抑制位错运动，能够显著提升合金的强度。值得注意的是，等轴组织与板条组织形成的双态组织具有更高的强度'在本研究中，910°C退 火 /水冷的合金，具有1117.8MPa的极限抗拉强度，但伸长率较低，表明a 基体中等轴β相有利于提高合金塑性，而板条β相有利于提高其强度。
图 3 为不同状态合金经过室温拉伸测试的断口形貌。可以发现TA17合金断裂后断口表面形成了大量细小的靭窝，表明合金发生了明显的靭性断裂。
对于钛合金而言，断口中韧窝尺寸越小，韧窝越深，表明其靭性断裂的趋势越明显。图 3(a)中挤压态合金的韧窝具有细小且深的特点，因此其伸长率较高。而 图 3 (d) 中 910°C 退火/炉冷的断口韧窝较大且浅 ，脆性断裂倾向增加，反映出其塑性较低。
合金在拉伸应力作用下，首先发生的是弹性变形。当应力大于合金的弹性极限，合金进人塑性变形阶段，此时产生微小的孔洞，位于合金内部以及试样应力较为集中的部位，该过程为微孔形核。随着拉伸应力逐渐增大，微孔发生聚集、长大 ，并且拉伸试样发生一定的颈缩。最后，当拉伸应力达到合金的强度极限时，试样发生断裂。断裂过程中，最后断裂的部分将承担较大应力，韧窝通常产生在该部位。图 4为 TA17钛合金微孔聚集型断裂的示意图。
图 5 为经不同退火工艺处理后的TA17钛合金显微硬度统计图。经820 °C 退火/水冷和退火/空冷处理后，合金显微硬度较挤压态有所降低，分别为306.62和 304.55HV。但炉冷处理后的显微硬度有所提升，为 347.81 HV。在实际应用过程中，钛合金的硬度是非常重要指标，在相同的条件下，β相的硬度要高 于 α型 ' 对近α钛合金硬度影响最关键的因素是组织中β相的含量。910°C 退 火 /水冷合金组织 中 β相含量最多（图 2)，因此，这个状态下合金的硬度也最高。合金的显微硬度与合金的强度具有一定的相关性，许多研究都可以观察到类似的现象[10]。实际生产中经常通过硬度来估算合金的强度[11]。
3、结论
( 1 )挤压态TA17钛合金组织由针状α相和晶间β相组成。经 820°C 退火处理合金发生再结晶，组织为等轴β相 和 α型基体，其中炉冷处理后的β相尺寸细小且分布均匀。经 910°C 退火处理合金形成板条状α型和晶 间 β相组织，炉冷处理后的组织较为粗大。
( 2 )挤 压 态 TA1 7 钛 合 金 抗 拉 强 度 为 1045.1MPa。经退火处理后，合金在挤压过程中产生的残余应力得到释放，合金的力学性能有所改善，其 中 820°C / 炉 冷 和 910°C / 水冷处理后的抗拉强度分别为1046.8和 1117.8MPa。但 经 910°C 退火处理合金晶粒尺寸较大，塑性明显降低，因此，经 820°C/炉冷处理后，合金的综合力学性能较好。
( 3 ) 挤 压态 TA17钛合金的显微硬度为333.55HV。经 820 °C 退火（炉冷）处理后，合金显微硬度较挤 压态、空冷和水冷处理有所提高，为 347.81 HV。
该退火工艺处理后的合金组织晶粒细小，抗拉强度有所提高。
参考文献：
[1]江洪，张晓丹. 国内外钛合金研究及应用现状[J].新材料产业，2017(3):7-10.
[2]于振涛，余森，程军，等.新型医用钛合金材料的研发和应用现状[ J ] .金属学报,2017,53(10): 1238-1264.
[3]于宇，李嘉琪.国内外钛合金在海洋工程中的应用现状与展望[J].材料开发与应用，2018,33(3): 111-116.
[4]李东，于振涛，吴玮璐，等. TA17合金简介[J] .钛工业进展，2004,21(5)：34-36.
[5]任万波. TA17钛合金热变形行为及其中厚板热轧仿真研究[ D ] .成都：成都理工大学,2015.
[6]赵金玲，容耀，刘鹏聪，等. 热处理工艺对TA17钛合金板材组织与性能的影响[J].金属世界,2016(6):58-60.
[7]李东，唐卫胜，邓炬• TA17合金的组织与性能[C]//洛阳：船舶、海洋工程材料学术交流会,2005.
[8]Du Z X, Xiao S L, Shen Y P, et al. Effect of hot rolling andheat treatment on microstructure and tensile properties of highstrength beta titanium alloy sheets [J]. Materials Science andEngineering A, 2015,631 ：67-74.
[9]Leyens C, PetersM.Titaniumandtitaniumalloys:fUndamen-tals and applications [M]. Hoboken ：Wiley-VCH Verlag GmbH& Co.,KGaA Weinheim,2003.
[10] Chao L, Xiao Y Z , Zhi Y L, et al. Effect of heat treatmenton microstructure and mechanical properties of ultra-finegrained Ti-55511 near p titanium alloy [J]. Rare Metal Materials and Engineering,2015,44(2)：327-332.
[ 1 1 ]陈文广. 钛的布氏硬度与抗拉强度、面缩率、伸长率的关系[J].稀有金属，1986⑴:30-33.
[12]Lin Y, Zheng Z Q , Zhang H F, et al. Effect of heat treatmentprocess on tensile properties of 2A97 Al-Li alloy: Experimentand BP neural network simulation[J]. Transactions of NonferrousMetals Society of China, 2013,23 ：1728-1736.
[13] Quan G Z, Lv W, Mao Y P, et al. Prediction of flow stress ina wide temperature range involving phase transformation foras-cast Ti-6Al-2Zr-lMo-lV alloy by artificial neural network [J].Materials & Design, 2013, 50 ： 51 - 6 1.
[14] Sun Y, Zeng W, Han Y, et al. Modeling the correlation between microstructure and the properties of the Ti-6A1-4V alloybased on an artificial neural network [J]. Materials Science andEngineering A , 2011,528 ：8757-8764.
[15] Sun Y, Zeng W, Han Y, et al. Determination of the influenceof processing parameters on the mechanical properties of theTi-6A1-4V alloy using an artificial neural network [J]. Computational Materials Science,2012,60：239-244.
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