發布日期：2026-1-21 20:36:14
TC11鈦合金是一種典型的兩相鈦合金，其名義化學成分為Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si,該合金包含多種元素:a穩定元素鋁(Al)，β穩定元素鉬(Mo)、硅(Si)以及中性元素鋯(Zr)[1-2]。這種多元化的元素組合賦予了TC11鈦合金優異的綜合力學性能。此外,該合金還表現出卓越的熱加工性能,在高溫環境下仍然能夠保持長期穩定運行，這種特性使其在航空工業中得到了廣泛應用，特別是在航空發動機關鍵部件的制造中[3-4]。由于優異的性能和廣泛的應用潛力，TC11鈦合金在航空航天領域展現出良好的發展前景。
TC11鈦合金的微觀組織調控和熱處理工藝對其性能有顯著影響。合理的熱處理工藝可以進一步優化其力學性能和高溫穩定性，從而滿足航空發動機等高端裝備對材料性能的嚴苛要求。故目前關于TC11鈦合金熱處理的相關研究也較多。例如王曉亮等[5]在兩相區溫度區間，分別采用單重以及雙重退火工藝對TC11鈦合金進行退火處理,研究了不同退火組織對TC11鈦合金動態沖擊性能的影響;張晨輝等在兩相區溫度區間對TC11鈦合金進行固溶處理，再以不同冷卻速率對合金進行冷卻處理，研究了固溶溫度和冷卻速率對TC11鈦合金顯微組織、室溫和高溫力學性能的影響;同曉樂等[7]分別設置了兩相區及單相區溫度，對TC11鈦合金進行固溶處理，研究了固溶處理對TC11鈦合金組織與拉伸性能的影響。可以發現，雖然目前已有大量學者對TC11鈦合金熱處理工藝進行了研究，但其加熱溫度通常位于兩相區溫度，而關于合金組織的研究也主要集中在組織形貌以及物相組成。在力學性能方面，目前的研究內容主要為拉伸性能以及沖擊性能，鮮有關于其他力學性能的報道。
隨著我國國防工業和航空航天的快速發展，對材料性能的要求日益提高，尤其是在力學性能的多樣性和可靠性方面提出了更高標準。而斷裂韌性在航空航天領域的應用貫穿材料設計到部件制造的各個環節，尤其是在高溫、高壓、高載荷和復雜應力環境下，高斷裂韌性的材料能夠顯著提高結構的可靠性和安全性。通過優化材料性能、改進制造工藝以及加強斷裂力學研究，可以進一步提升航空航天器的性能和壽命。
因此，本文以實際工程需求為導向，選取TC11鈦合金為研究對象，對其進行兩相區及單相區溫度的退火處理，系統研究退火溫度對TC11鈦合金微觀組織、晶體結構及斷裂性能的影響，旨在揭示TC11鈦合金在不同退火溫度下的組織-性能關系，并挖掘其潛在力學性能優勢,為優化TC11鈦合金在航空航天領域的應用提供理論依據和技術支持。
1、實驗
本研究所采用的TC11鈦合金實驗材料為鈦合金厚板，規格為50mmx1000mmx1500mm。首先，海綿鈦以及中間合金經過3次真空自耗電弧熔煉(VAR)工藝,制備出成分均勻的鑄錠。隨后,鑄錠在單相區溫度1140℃下進行開坯鍛造，隨后在相變點以下30~50℃的高溫條件下進行3~5火次兩相區鍛造加工,每火次鍛造完成后采用空冷進行冷卻,制成鈦合金板坯,最后通過軋機將鈦合金板坯軋制成試驗用板材。通過金相組織分析，測得該合金的β相變溫度為987℃。此外,采用Plasma 3000型電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP)對TC11鈦合金的化學成分進行測定,結果顯示其主要元素及質量分數為:6.65%Al、3.15%Mo、1.35%Zr、0.146%Fe、0.315%Si、0.15%
將合金進行切割取樣，根據測試的合金相變點，設置940℃、960℃、980℃、1000℃四種溫度,在箱式電阻爐進行加熱處理，加熱時間為2h，以確保合金組織充分均勻化。加熱完成后，試樣采用空冷方式冷卻至室溫，以獲得不同的微觀組織狀態，組織觀察與分析均沿板材軋制方向(L向)進行。為觀察合金顯微組織,試樣經粗磨、細磨和拋光等多道工序處理,隨后浸入V(HF):V(HNO3):V(乳酸)=1:3:5的腐蝕液中腐蝕10s。腐蝕完成后,立即用清水沖洗試樣并吹干,以避免表面殘留腐蝕液影響觀察結果。最后,使用 Thermo Scientific Apreo 2型掃描電子顯微鏡對試樣的顯微組織進行觀察和分析;使用Empyrean型X射線衍射儀分析組織的物相組成，掃描角度為30°~80°。為研究合金的斷裂韌性，將經過不同溫度退火處理的TC11鈦合金加工成標準試樣,試樣取樣方向為T-L方向,試樣尺寸如圖1所示。采用QBG-150型高頻疲勞試驗機對試樣進行斷裂韌性測試。測試完成后，使用掃描電子顯微鏡對斷口的微觀形貌進行觀察，分析斷裂機制及裂紋擴展行為。使用掃描電子顯微鏡自帶的鏡頭對合金進行EBSD測試，測試完成后，使用Channel5軟件對測試結果進行表征分析。
2、結果與討論
2.1微觀組織分析
圖2展示了TC11鈦合金在不同退火溫度條件下的顯微組織演變規律。由圖2(a)~圖2(c)可以看出，當退火溫度在兩相區(α相+β相)范圍內逐步提升時，可觀察到組織中初生α相(位置A)呈現顯著的結構演變特征，初生α相含量呈現遞減的趨勢，其體積分數由初始的42.3%(940℃)逐步降低至5.7%(980℃);且在此過程中，初生α相形態發生明顯的等軸化轉變。當退火溫度超過β相變點進入單相區(1000℃)后，初生α相完全溶解消失，微觀組織中形成以細小針狀次生α相(位置B)為主導的顯微結構(圖2(d))。在退火溫度由940℃升高至1000℃過程中，合金的顯微組織類型完成從典型雙態組織(兩相區退火)向細片層β轉變組織(單相區退火)的過渡。
在高溫熱處理過程中,TC11鈦合金的 α相與 β相之間發生相變反應(α→β)，其反應過程受界面能與擴散動力學的協同作用調控[8]。在退火溫度升高的過程中,組織中幾何尺寸較小的α相優先發生結構失穩并逐步重構為β相。隨著退火溫度升高，熱激活能增加，大尺寸α相的邊緣區域因界面能勢壘較低而率先溶解，相界以非均勻速率向核心區域推進。在此過程中，α相在三維空間內的尺寸收縮趨于協調，最終形成近似等軸化的幾何形態。退火溫度升高時，組織中初生α相含量減少且逐漸等軸化，其主要是由于高溫條件下α相元素擴散能力增強及相界遷移機制所致。
合金經較低溫度退火時，組織中α→β相變驅動力不足導致少量α相發生相變，且β相中a穩定元素的平衡固溶度有限。此時 β相含量較少且具有較高的熱力學穩定性，其元素配位結構趨向密排六方短程有序排列，在后續冷卻過程中表現出較低的相變活性。冷卻階段僅少量β相發生分解(β→a),形成的次生α相優先在原始a/β相界面處形核 [10]。隨著退火溫度升高，α→β的相轉變增加，此時組織中β相不僅體積分數增加，其晶格內的α穩定元素濃度也同步上升，在后續冷卻過程中更多的 β相進行 β → α相轉變。在快速冷卻條件下，高過冷度導致大量次生α相在β晶粒內部形核，但由于擴散時間不足，使得次生α相保持細小針狀形貌，并呈現高密度彌散分布特征。
2.2晶體結構分析
為分析TC11鈦合金經不同溫度退火處理后的晶體結構情況,對其進行EBSD表征分析,所得極圖如圖3所示。由圖可發現,當退火溫度為兩相區時(圖3(a)~圖3(c)),合金{0001}晶面均呈現B型與近T型的混合織構;而當退火溫度升高至單相區后(圖3(d)),合金{0001}晶面主要呈現T型織構，且在退火溫度升高的過程中，織構強度不斷增加，由6.12增至13.39。
當退火溫度在兩相區時，合金組織中包含初生α相以及次生α相，二者的晶粒取向不同，退火過程中會形成特定的織構，最終導致{0001}晶面呈現混合織構。混合織構也意味著在退火過程中,初生 α相以及次生α相存在不同的再結晶或晶粒生長行為[11]。當退火溫度升高至單相區之時，此時合金組織中僅存在次生α相，致使織構變得更單一，說明在單相區退火后，合金晶粒的取向更趨向一致，取向趨于優化。
隨著退火溫度升高，織構強度不斷增加，反映了取向集中度的提高。退火溫度升高會促進再結晶和晶粒長大，使得次生α相取向占據主導地位，從而增強織構強度[12]。此外，較高的溫度也會提供更多的能量，在組織中形成更多次生α相，使晶粒擇優生長，導致織構更明顯。
2.3物相分析
根據前文圖2可知，改變退火溫度會使合金微觀組織形貌產生明顯變化。為進一步研究退火溫度是否會對合金物相產生影響，對經不同溫度退火處理后的TC11鈦合金進行XRD分析，結果如圖4所示。結果表明，經不同溫度退火處理后，合金組織中均檢測到α相的特征衍射峰(例如35.05°、38.40°、70.63°)，且未觀測到β相或其他物相。
研究表明[13-14]:鈦合金在加熱過程中，組織中僅發生α→β相變，而在冷卻階段則存在三類相變類型:β→a,該轉變為擴散型相變,即原子長程擴散重排;β→a'與β→a"的轉變均為切變相變，即晶格協同剪切。冷卻過程中的相變類型主要由冷卻速率主導，冷卻速率越快，產生的過冷度越大，β→α相的擴散受阻而觸發無擴散切變反應，形成a'相或a"相;反之，緩慢冷卻條件下原子可完成充分擴散，實現平衡相轉變，最終形成α相。本研究中采用空冷工藝，冷卻時產生相對較小的過冷度，相對較慢的冷卻速率會使β相中a穩定元素的濃度梯度驅動原子沿晶界擴散，導致針狀次生α相優先在β晶粒邊界形核。故可知，退火溫度由兩相區升高至單相區后，冷卻階段合金組織中主要發生β→α相轉變，組織中的物相主要為次生α相。由于初生α相與次生α相二者均為密排六方結構，二者衍射峰一致，故在圖4中僅存在α相衍射峰。
2.4斷裂韌性
圖5所示為TC11鈦合金在不同退火溫度條件下的斷裂韌性(KIC)，發現合金的斷裂韌性隨著退火溫度的升高而不斷增加，當退火溫度由940℃升高至1000℃時，其斷裂韌性由45 MPa.m1/2增至70 MPa.m1/2。
作為表征材料抵抗裂紋持續延伸能力的重要力學參數，斷裂韌性是衡量材料阻礙裂紋擴展的重要指標。由于斷裂韌性試樣在測量前會對其預制一段疲勞裂紋，導致測試試樣具備較小的缺口半徑(接近于0)，裂紋尖端塑性區半徑與材料的關鍵微觀結構尺寸(如晶粒尺寸)相近、處于同一數量級，使得裂紋萌生的數量大幅度降低，即裂紋擴展過程中所消耗的能量占據斷裂過程主導地位，裂紋穿越機制引發的宏觀裂紋路徑延伸成為主要耗能方式[15]。故對經不同溫度退火處理后合金的裂紋擴展路徑進行表征，其具體形貌如圖6所示。
對圖6的裂紋擴展路徑進行分析可知，當退火溫度較低(圖6(a)、圖6(b))時，合金顯微組織呈現高含量(體積分數)的初生α相與低含量的次生α相分布特征。這種相組成導致組織內部形成特殊的裂紋響應機制:初生α相對裂紋尖端前進的抑制作用有限,而稀疏分布的次生α相難以形成有效的裂紋偏轉機制[16]。這種組織結構特征導致裂紋傾向于沿低阻力路徑延伸，形成相對平直的擴展軌跡，其擴展過程中的能量耗散主要源于基體塑性變形，整體能量吸收水平較低。隨著退火溫度升高(圖6(c))，相變驅動力促進次生α相體積分數顯著增加。這種針狀次生α相在基體中構建出三維網狀強化結構，顯著改變裂紋擴展動力學。裂紋在擴展過程中需要頻繁穿透這些強化相，導致裂紋尖端應力場需克服更大的相界結合能，并引發更強烈的應力集中效應。這種交互作用使得裂紋擴展路徑呈現分叉與轉向特征，顯著提高了裂紋擴展阻力，使斷裂韌性升高。
當退火溫度升至單相區(圖6(d))時，合金發生完全相變重組，形成大量次生α相，并存在粗大的β晶粒結構。這種微觀組織演變對裂紋擴展模式產生雙重影響。在晶粒內部，裂紋擴展受到次生α相均勻的阻礙作用，主要發生有限程度的穿晶擴展;而在晶界區域，由于界面能差異和元素偏析形成的弱化邊界,裂紋更傾向于沿晶界網絡進行擴展。這種復合擴展機制導致裂紋路徑呈現顯著的非線性特征，其擴展軌跡需反復跨越晶界障礙，從而產生顯著的裂紋尖端屏蔽效應，裂紋在擴展過程中需消耗大量能量，故使得斷裂韌性進一步增加。
2.5斷口形貌分析
圖7展示了TC11鈦合金在不同退火溫度條件下的斷口形貌。由圖7(a)~圖7(b)可以得知,當退火溫度較低時，斷口表面由高密度分布的大尺寸韌窩構成，部分尺寸較大的韌窩底部可見次級微小韌窩嵌套結構，這種多尺度韌窩分布特征表明合金在斷裂過程中經歷了顯著的塑性流動。微孔聚集機制在此階段占主導地位:位錯運動誘導的微孔形核、生長及后續的孔洞貫通過程，形成了具有深度差異的韌窩形貌[17]，這說明組織中初生α相含量較多，合金在裂紋擴展階段的能量耗散較小。
當退火溫度升高(圖7(c))后，合金斷口形貌發生顯著轉變，此時韌窩數量明顯減少，同時出現一定程度的脆性斷裂特征。此時斷口呈現韌-脆混合斷裂模式:未完全消失的淺韌窩與新生撕裂棱共存，后者由局部塑性變形受限區域形成。這種形貌轉變與微觀組織的演化存在顯著關聯，即次生α相體積分數增加強化了基體，但組織中仍存在少量初生α相，兩者形成競爭性斷裂機制[18] 。
進一步將退火溫度提升至單相區(圖7(d))時，合金斷口形貌發生根本性轉變，斷口呈現典型沿晶斷裂特征，表面覆蓋大尺寸巖石狀解理臺階，僅局部區域殘留少量淺韌窩。這種形貌的轉變標志著斷裂機制從微孔聚集型韌性斷裂轉變為沿晶脆性斷裂。初生α相完全消失以及β晶粒粗化導致協調變形能力下降，裂紋優先沿弱化晶界擴展，形成巖石狀斷口形貌[19-20]。
4、結論
1)當退火溫度在兩相區范圍內(940~980℃)提升時，組織中初生α相含量呈現遞減的趨勢，其體積分數由初始的42.3%逐步降低至5.7%，并且形態發生明顯的等軸化轉變。當退火溫度進入單相區(1000℃)后，初生α相完全溶解消失，微觀組織中形成以細小針狀次生α相為主導的顯微結構。在退火溫度升高過程中，合金的顯微組織類型從雙態組織向細片層β轉變組織進行轉變。
2)經不同溫度退火處理后，合金組織中均檢測到α相的特征衍射峰，且未觀測到β相或其他物相。
3)當退火溫度為兩相區時，合金{0001}晶面均呈現B型與近T型的混合織構;而當退火溫度升高至單相區后，合金{0001}晶面主要呈現T型織構，且在退火溫度升高的過程中織構強度不斷增加，由6.12增至13.39。
4)合金的斷裂韌性隨著退火溫度的升高而不斷增加，當退火溫度由940℃升高至1000℃時，其斷裂韌性由45MPa.m1/2增至70MPa.m1/2。且斷口形貌中韌窩數量不斷減少，斷裂機制從微孔聚集型韌性斷裂轉變為沿晶脆性斷裂，最終形成巖石狀斷口形貌。
參考文獻:
[1]王壯，權銀洙，石毅磊，等.絲束同軸束源模式對電子束熔絲增材制造TC11鈦合金組織及力學性能的影響[J].稀有金屬材料與工程,2024,53(10):2941-2951.
[2]劉娣，韓彤，白鈺，等.VAR熔煉補縮工藝對TC11鈦合金鑄錠質量的影響[J].鈦工業進展，2024，41(1):37-40.
[3]苗芳，吳慧云，魯澤，等.高壓熱處理對TC11鈦合金組織及力學性能的影響[J].精密成形工程，2023,15(9):1-7.
[4]梁忠偉，林子順，唐薈，等.TC11鈦合金表面TiN顆粒強化層組織與性能分析[J].航空制造技術，2025，68(3):41-49.
[5]王曉亮，楊卿衛，李宇露，等.不同退火組織對TC11鈦合金動態沖擊性能的影響[J].材料熱處理學報，2023，44(11):92-100.
[6]張晨輝，郭建忠，張利軍，等.固溶溫度和冷卻速率對TC11鈦合金組織和性能的影響[J].特種鑄造及有色合金，2021,41(10):1261-1263.
[7]同曉樂，張明玉，岳旭，等.固溶處理對TC11鈦合金組織與性能的影響[J].金屬熱處理，2023,48(2):195-200.
[8]徐浩，孫前江，文超，等.固溶時效對TC21鈦合金準β鍛后組織性能的影響[J].稀有金屬材料與工程，2024，53(1):178-187.
[9]吳晨，馬保飛，趙耕岑，等.延時淬火對航天緊固件用TC4鈦合金組織和性能的影響[J].金屬熱處理，2023，48(12):135-139.
[10] AN F,LIU X,ZENG X,et al. Effect of laser beam drift at high scanning speed on relative density, thickness and roughness of thin-walled TC11 specimen by selec-tive laser melting[J]. Journal of Manufacturing Proces-ses,2025,139:38-49.
[11] WANG Q,YANG Y,HUANG S,et al. The effect of heat treatment on the anisotropic mechanical properties of metastableβ titanium alloy[J].Materials Science and Technology,2025,41(2):106-116.
[12]王文盛，劉向宏，王海鵬，等.β退火處理WSTi6421鈦合金中異常晶粒結構的表征與分析[J].稀有金屬材料與工程，2025,54(2):354-362.
[13] QIN G H,YAN B,JI B,et al. Effect of heat treatment on impact properties of TC10 titanium alloy[J].Mate-rials Science Forum,2018,941:725-729.
[14] ZHANG M Y,YUN X B,FU H W. Effect of BASC and BASCA heat treatment on microstructure and me-chanical properties of TC10 titanium alloy[J].Mate-rials,2022,15(22):8249.
[15]張明玉，運新兵，伏洪旺.BASCA熱處理對TC10鈦合金組織與斷裂韌性的影響[J].材料導報，2024,38(7):202-207.
[16]烏彥全,周軍,張春波,等.TC4鈦合金慣性摩擦焊接頭組織及斷裂韌性與裂紋擴展特性分析[J].稀有金屬材料與工程，2023,52(9):3 132-3 138.
[17] ZHANG Z,FU X,CAO Z,et al. Crack failure behaviors of Ti-6Al-4V dovetail joints subjected to fretting fa-tigue and effect of laser shock dimple-textured surface coated with diamond-like carbon film[J]. Journal of Materials Research and Technology,2024,33:1 984-1 998.
[18] WENG H B,HUANG S S,YANG J,et al. Mechanical properties anisotropy of Ti-6Al-4V alloy fabricated byβ forging[J]. Transactions of Nonferrous Metals So-ciety of China,2023,33(11):3 348-3 363.
[19] LARA H D,PEEYUSH N,ANKIT S. Microscale drivers and mechanisms of fracture in post-processed ad-ditively manufactured Ti-6Al-4V[J]. International Journal of Fracture,2023,242(2):207-225.
[20]潘浩,毛小南,黃朝文,等.α相對高強韌Ti-55531合金強化及斷裂機制的影響[J].稀有金屬材料與工程，2018,47(1):103-107.
（注，原文標題：退火處理對TC11鈦合金組織結構及斷裂韌性的影響）