引言
钛合金因其具备高比强度、无磁性、耐腐蚀等性能，已成为航空航天领域中具有良好发展潜力以及应用价值的结构功能性材料[1-2]。相较于α型以及β型钛合金，α＋β型两相钛合金在塑性加工便利性上具有更为出色的表现，特别适用于制成大型结构锻件以及宽幅板材[3]。TC11钛合金是一种广泛应用的α＋β两相结构钛合金，具有出色的热加工适应性以及力学性能，在航空、海洋以及汽车等领域内均展现出卓越的应用潜力[4-5]。此外，由于TC11钛合金还具有良好的耐磨性和抗腐蚀性，在制动系统中，TC11钛合金可用于制造制动盘、制动鼓等关键部件，能够提高制动系统的效率和安全性。
关于TC11钛合金热处理工艺的研究较多，如张明玉等[6]研究了TC11钛合金经固溶时效工艺处理后的微观组织与冲击性能，同晓乐等[７]研究了TC11钛合金经固溶处理后的微观组织与拉伸性能，朱宁远等[8]同样对TC11钛合金进行固溶时效处理，但主要分析了显微组织与硬度的关系。除固溶时效工艺外，虽有部分学者对该合金进行过退火工艺的研究，但其设置的退火温度均以两相区温度为主，鲜有关于单相区温度退火处理的研究。然而在实际工程生产过程中，由于设备检修不及时、员工操作失误等因素会导致实际的加热温度高于设定温度，即由两相区温度转变为单相区温度。经更高的单相区温度加热会导致合金组织产生显著变化，对力学性能产生较大的影响，严重影响合金在工程中的应用。故进行单相区温度退火处理具有重要工程研究意义，能够有效避免工程事故发生。
鉴于TC11钛合金在众多工程领域的广泛应用，以及其性能优化的迫切需求，本文基于现有热处理研究工艺以及工程研究现状，选取TC11钛合金作为研究对象，旨在填补现有研究的空白，通过对两相区和单相区温度退火处理的深入探讨，探索其对微观组织形貌和拉伸性能的影响。研究成果不仅有助于提高TC11钛合金的性能，优化其在工程实践中的表现，而且对于推动钛合金材料科学的发展，特别是在材料设计和工艺优化方面，具有重要的工程意义。
1、试验
在生产TC11钛合金的过程中，选用小颗粒海绵钛以及中间合金作为基础原料，并严格按照名义成分（Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si）配比进行配料准备。随后通过布料和压制工艺制备出自耗电极，并通过真空自耗电弧炉进行3次熔炼，以确保合金成分的均匀分布，再经扒皮探伤等工艺制成直径为720mm的钛合金铸锭。采用自由锻造机对铸锭进行锻造加工，最终制成直径为130mm的TC11钛合金棒材。经实际检测，合金的具体化学成分如表1所示。
由于钛合金在加热过程中会发生同素异构体转变，故其相变温度的精确测定对于合理制定热处理工艺至关重要。通过连续升温金相法测得本研究中所用TC11钛合金的相转变温度为993℃，以相变点温度为依据，分别设置两相区温度（940℃、960℃、980℃）以及单相区温度（1000℃）对合金进行退火处理，具体退火热处理制度如表2所示，其中AC表示合金加热完成后采用室温冷却的方式进行冷却处理。
完成上述热处理步骤后，对退火后的合金样本进行取样，用于后续的微观组织观察及拉伸性能测试。首先，金相试样经过粗细磨、抛光并使用体积比为HF∶HNO3∶H2O＝1∶3∶6的腐蚀液进行侵蚀等预处理步骤。随后，采用Ziess（ＡｘｉｏＶｅｒｔ.Ａ1）光学显微镜对腐蚀后的合金微观组织进行详细观察。
同时，按照GB/T228.1-2010标准制备拉伸试样，拉伸试样加工尺寸如图1所示，设置加载速率为1mm/min，在INSTRON（3400-34ＭＴ）万能材料试验机上进行拉伸性能测试。此外，无论是微观组织观察还是拉伸性能测试，均沿棒材的纵向方向进行。
2、试验结果与讨论
2.1 显微组织
图2展示了TC11钛合金经不同退火温度处理后的显微组织形貌，从中可以观察到，合金经940℃退火处理后，大量初生α相（位置Ａ）以及针状α相（位置Ｂ）在组织中均匀分布，此时初生α相体积分数约为47％。合金加热完成后，其冷却过程中通常产生两种物相转变：β→α′相以及β→α相，并伴随生成一定量的亚稳定β相。其中，当冷却速率较快时（如水冷），β相以快速切变方式进行转变，最终形成具有六方马氏体晶体结构的α′相。由于本试验采用空冷的方式进行冷却，其整个过程冷却速率较慢，在当前条件下并未形成α′相，即组织中细小针状形貌的α相为次生α相[9]。随着退火温度上升至960℃，发现显微组织中初生α相略有减少，体积分数约为39％，但整体形貌并无显著改变。随着退火温度继续增加到980℃后，此时组织中析出的次生α相数量显著增加，初生α相的体积与含量均明显减少，体积分数约为18％。进一步提高退火温度至1000℃时，组织中有粗大β晶粒出现，且初生α相完全消失，体积分数约为0，这是因为退火温度超过相变点所致。整体来看，初生α相的含量在退火温度逐步升高的过程中不断减少，这表明合金在加热升温的过程中，首先是细小的α相优先溶解，随后发生溶解的是体积较大的α相。
基体中α稳定化元素含量及冷却速率均会影响组织中次生α相的形成。合金经低温退火后，组织中β相具有较高的稳定性，这是由于此时β相内部的α稳定化元素含量较少所致。合金在随后的冷却阶段，组织中β相主要被限制在初生α相的界面处发生扩散，限制了β→α相的转变，即次生α相数量较少。然而，α稳定元素在β相内的含量随着退火温度提高而增加。在此条件下进行冷却处理，会限制α稳定元素扩散的能力[10]，此时的β相通过扩散机制促使更多的次生α相有效析出。
2.2 拉伸性能
图3展示了TC11钛合金经不同退火温度处理后的拉伸性能变化趋势。从图中可以得出，经940℃及960℃退火处理后，合金表现出较为相近的强度水平，抗拉强度分别为992Mpa与1001Mpa。继续升高退火温度至980℃，合金强度有较为明显的增加，抗拉强度由1001Mpa增加到1115Mpa，增加约11.4％。在达到1000℃退火温度时，合金强度得到了进一步提升，抗拉强度由1115Mpa增加到1128Mpa，增加约1.2％。但与此同时，其塑性表现却出现了大幅度的下滑，断后伸长率由最初的21％降低至2％，降低约90％。即合金的强度在退火温度为1000℃时达到最大值，此时抗拉强度Ｒｍ达到1128Mpa，屈服强度Ｒｐ0.2达到1012Mpa。合金的塑性在退火温度为940℃时达到最大值，其中断裂后伸长率Ａ为21％，断面收缩率Ｚ为32％。故TC11钛合金的拉伸性能总体呈现的变化规律为：合金的强度随着退火温度的升高而增加，而塑性则随退火温度升高而下降。
对于合金拉伸性能的变化，可以从合金经退火处理后的微观结构演变进行解释。合金经940℃与960℃低温退火处理后，此时组织中存在大量初生α相，初生α相中具有更多可开动的滑移系，有利于变形初期滑移的启动和塑性调整，从而使得该阶段合金表现出塑性较高而强度相对较低的特性[11]。
然而，合金经980℃与1000℃的较高退火温度处理后，在初生α相的含量减少以及消失的同时，并伴随大量细小均匀的次生α相析出。此时，由于次生α相内部易于形成位错塞积现象，在拉伸过程中，当位错在其内部滑移时，需要更大的外力克服障碍，进而提高了合金的强度[12]。与此同时，随着退火温度升高，合金组织中出现了粗大的β晶粒，晶界位置在拉伸过程中发生应力集中，在外力不断作用下，有微小空洞产生并扩散，这会加快裂纹的孕育与扩展速度，随着这些裂纹活动的加剧，最终导致合金的塑性性能大幅度下降。
2.3 拉伸断口形貌
图4展示了经不同退火温度处理后的TC11钛合金拉伸断口形貌，可以看出，合金经940℃与960℃退火处理后的断口形貌具有较高的相似性，主要表现为由大量的韧窝（位置Ｃ）形貌构成，且在断口中伴有局部解离小平面（位置Ｄ）特征形貌。拉伸试样在进行塑性变形的过程中，组织内的位错滑移在快速应变的条件下产生应力集中，而该区域也会诱发微孔形核。由于位错间相互作用力随着拉伸的持续进行而不断减弱，位错源在微孔内部进入少量位错的作用下被再次激活。由于不断有新的位错在塑性变形过程中产生，这些新位错也会相继涌入微孔，促使微孔逐渐扩大，而韧窝形貌就是在大量微孔扩展并连通至断口位置时所留下的痕迹。
通常情况下，合金具有较高的塑性时，其拉伸断口中的韧窝深度较大且数量较多，而当合金具有较差的塑性时，断口中韧窝较浅且数量较少。结合图4（ａ）与图4（ｂ）的观察结果，可以判断此时合金的塑性性能较高，这一结论与之前从图3中得出的强度与塑性的变化趋势相吻合。
当合金经980℃与1000℃退火处理后，观察此时拉伸断口，其微观结构发生了显著变化。相较于退火温度较低的拉伸断口特征，此时韧窝的尺寸以及数量明显减少，并且出现了清晰的解理台阶（位置Ｅ）与撕裂棱（位置Ｆ）形貌，断口表面散布着大量微小的韧窝，断口形貌转变为岩石状，这一断裂形态的变化揭示了合金强度的增强，同时伴随着塑性的减弱。故在较高退火温度条件下，合金内部的微观组织演变导致其力学性能发生转变，从高塑性向高强度方向发展，反映在断口形貌上则表现为韧窝数量的减少以及脆性断裂特征的增多。
3、结论
（1）经低温（940℃、960℃）退火处理后，合金的组织主要包含初生α相以及次生α相，退火温度升高（980℃）使初生α相含量减少并消失，而次生α相的含量不断增多，且退火温度为单相区（1000℃）时，组织中出现较大尺寸的β晶粒。
（2）合金强度随退火温度的升高而增加，但塑性则与强度呈现相反的变化趋势。强度在退火温度为1000℃时达到最大值，此时抗拉强度达到1128Mpa，屈服强度达到1012Mpa。塑性在退火温度为940℃时达到最大值，其中断裂后伸长率为21％，断面收缩率为32％。
（3）合金经低温（940℃、960℃）退火处理后的断口形貌主要由大量的韧窝形貌构成，且伴有局部解离小平面，而经高温（960℃、1000℃）退火处理后的断口出现了清晰的解理台阶与撕裂棱形貌，断口形貌转变为岩石状。
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