李 萍， 郝静燕， 赵 杰， 段洪涛

（大连理工大学材料科学与工程学院，辽宁大连 116024）

0 引 言

由于具有许多普通材料无法比拟的优良性质，钛合金在航空、生物和其他高科技领域得到普遍关注［1］.其中近β型钛合金以其良好的热处理强化效果、抗蠕变性能与成型性，唤起国内外学者对其进行研究与开发的热情［2］.

随着对近β型钛合金性能要求的提高，人们在合金的冶炼以及热处理工艺方法上不断进行摸索与研究.如将锻造温度从950℃升高到980℃，可以将Ti－Nb－Ta－Zr钛合金的抗拉强度提高约30%、塑性增加约12%、弹性模量提高约37%［3］；改变加工工艺，则可以使Ti－Zr－Sn－Mo－Nb（TLM）合金的强度和弹性模量降低约4.1%，而延伸率增加38%［4］.

Ti27Nb8Zr是具有我国独立知识产权的近β型钛合金.前期研究发现，热轧态的Ti27Nb8Zr合金在800℃固溶处理后，具有较好的塑性，但强度较低［5］.为了进一步提高合金的强度，将其在350～500℃（Δt＝50℃）进行时效处理.鉴于超声波在介质中的传播速度与介质特性及状态相关，本文进行“声速法无损评价时效温度对Ti27Nb8Zr弹性性能的影响”研究.应用超声水浸聚焦法并结合纵波掠入射方法测量超声波在时效样品中的传播速度；基于声波在各向同性、均匀固体介质中传播规律，推算时效样品的弹性性能指标；结合时效样品微结构转变，分析并讨论弹性性能指标的变化.

1 实 验

1.1 试样的制备

在真空自耗电弧炉中熔炼Ti27Nb8Zr合金，而后在感应炉中重熔，经热轧处理后将其空冷.鉴于热轧合金中存在的残余应力对合金的变形、稳定性和抗疲劳性能都有影响，因此，需要对合金进行固溶处理，即将Ti27Nb8Zr合金加热到800℃保温1 h.为进一步提高合金的强度，继续对固溶合金进行时效处理，将其在350、400、450、500℃分别时效12 h后，在空气中进一步冷却.以氩气做保护气氛，在井式真空加热炉中完成上述热处理过程.随后，将所有时效样品加工成 3 mm×9 mm的圆柱体，为便于声速测量，通过磨削和抛光使得样品的上下表面平行.

1.2 声速法无损评价弹性模量的原理

声波在各向同性、连续均匀固体物质中传播时，弹性性能可表示为［6］

式中：ρ为试样密度，vl为纵波声速，vs为横波声速，E为弹性模量，G为切变模量，K为体积模量，μ为泊松比.

因此，通过对声速、密度的测定，即可得到弹性模量（E）、切变模量（G）、体积模量（K）和泊松比μ.

实验所用试样直径较小，而聚焦探头能够改善声束指向性，并提高声能，故在本研究中将超声水浸聚焦法与纵波掠入射法相结合用于声速测量［7］.研究所用超声波纵波探头的标称频率为5 MHz，焦斑直径不超过0.6 mm，每个样品上测6点，取平均值；采用精度为0.1 mg的电子天平，基于阿基米德原理获得各个试样的密度.每个试样测量3次，求得其平均值.

2 结果与讨论

2.1 微结构的变化

不同时效状态下的XRD谱和金相组织如图1、2所示.将Ti27Nb8Zr合金进行热轧处理并空冷到室温，对应微观组织包含大量的β相和少量的α″相.固溶处理后，合金的微观组织由均匀分布的等轴状再结晶晶粒构成，其相组成为亚稳β相和马氏体α″相；此后的时效过程中，亚稳的β相和α″相继续分解，且随着时效温度的提高，相组成存在显著的差异.在350、400℃得到的时效组织均为β＋ω相，对应450℃的时效组织为β＋α＋ω相，500℃时效组织为稳定的β＋α相.

图1 不同状态下Ti27Nb8Zr的XRD图谱Fig.1 XRD patterns of Ti27Nb8Zr in various states

2.2 声速和弹性模量的变化

图3给出了Ti27Nb8Zr合金在不同时效温度下纵波声速（vl）和横波声速（vs）的变化规律，时效温度对弹性性能的影响如图4所示.

图2 Ti27Nb8Zr合金时效金相组织Fig.2 Microstructures of Ti27Nb8Zr at different aging temperatures

图3 声速随时效温度的变化Fig.3 The variation of velocities with aging temperature

图4 弹性性能与时效温度的相关性Fig.4 The correlation of elastic indices and aging temperature

由图3、4可知，提高时效温度，超声波速度单调递减，弹性性能指标呈现与超声波速度相似的变化.整个时效过程中，弹性模量与切变模量分别降低27%和30%，体积模量变化很小，仅下降了3%，泊松比增大了12%.从图3、4还可以看出，对应不同的温度区间，指标变化也有显著差异.时效温度为350、400℃时，声速以及弹性指标几乎不发生变化，提高时效温度到500℃，弹性模量与切变模量的变化显著，对应降低26.3%、28.9%.

2.3 分析与讨论

弹性性能指标表征了原子间结合力大小，其受原子间距、晶体结构和材料内部相变等因素影响［8］.对时效过程组织结构与弹性性能的综合分析可知：固溶处理产生的马氏体在不同时效温度下能够分解成形态与含量均不同的相，这成为合金弹性性能指标改变的主要因素.

对应350、400℃的较低时效温度，处于亚稳状态的β相分解为βp（溶质原子贫化区）和βr（溶质原子富集区），贫化区发生ω相的形核与长大，富集区则转变为稳定的β相；与此同时，α″相因发生马氏体逆转变，成为亚稳的β相，随后转变为β＋ω相［9］.对应上述两个温度的时效组织均由β＋ω相组成，故其弹性性能指标的变化较小.

提高时效温度到450℃，ω相发生聚集，有少量的α相析出，微观组织由β相、ω相以及少量的α相组成；进一步观察发现，ω相减少，β相增多.ω相是介于α相与β相之间的一种过渡相，具有硬度高、脆性大以及弹性性能指标较高的特点［10］；相对于ω相，α相和β相的弹性性能指标较低［11］，综上分析：该温度下弹性性能指标的降低可归因为合金中ω相的减少以及α相、β相的增多.

将合金在500℃继续时效，通过先析出均匀形核的、细颗粒的α相，使α″相中的稳定元素富化（α″r），再转变成亚稳β相，最后转变成稳定的β＋α相；亚稳β相则分解为βp和βr相，贫化区形核析出α相，富化区转变为稳定的β相［9］，所以在该温度下得到由β＋α相组成的稳定的时效组织.弹性性能指标的显著降低与ω相的消失密切相关.

3 结 论

（1）提高时效温度，超声波速度与弹性性能指标呈现单调降低的趋势.其中E、G的变化较大，分别为27%、30%，K降低3%，μ提高12%.

（2）时效组织中各组成相类型与数量的变化，是诱发合金弹性性能指标改变的主要因素.

（3）Ti27Nb8Zr合金弹性性能指标的降低与时效组织的转变密切相关.350、400℃时效组织均为β和ω两相，二者弹性性能指标的差别较小；时效温度提高到450℃，除β和ω相外还有少量的α相从ω相中析出，弹性性能指标的降低与α相、β相的逐渐增多以及ω相的减少相关；500℃时，时效组织由α相和β相组成，ω相完全消失，这使得弹性性能指标显著降低.

［1］杨鹏宇，苗德华，呼英俊，等.新型钛合金的时效工艺［J］.金属热处理，2005，30（10）：68－69

［2］刘茵琪.热处理对近β型钛合金显微组织及力学性能的影响［J］.材料开发与应用，1999，14（6）：9－13

［3］陶 姗.新型生物医用近β型钛合金的组织及力学性能［D］.昆明：昆明理工大学，2005

［4］于振涛，周 廉，罗丽娟.新型近β型医用钛合金TLM的加工、组织与性能［J］.稀有金属，2006，30（2）：226－230

［5］段洪涛.生物医用低弹性模量钛合金组织与性能的研究［D］.大连：大连理工大学，2008

［6］奥特尔B A.固体中的声场和波［M］.孙承平，杨训仁，译.北京：科学出版社，1982：376－378

［7］陆铭慧，杨 奕，陈以方.声学法测量复合绝缘子弹性常数［J］.材料工程，2005，11：46－49

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［9］张喜燕，赵永庆，白晨光.钛合金及应用［M］.北京：化学工业出版社，2005：97－98

［10］邓安华.钛合金的马氏体相变［J］.上海有色金属，1999，20（4）：193－199

［11］ZHOU Ying－long，NIINOMI Mitsuo，AKAHORI Toshikazu.Decomposition of martensiteα″during aging treatments and resulting mechanical properties of Ti－Ta alloys［J］.Materials Science and Engineering A，2004，384：92－101