石油化工、艦船、核電和海洋環境存在高溫、高壓、強腐蝕等惡劣因素，對材料的性能，特別是耐腐蝕性能要求較高。鈦及鈦合金具有低密度、高強韌性、高比強度等特點。此外，鈦的致鈍電位低，易形成致密的鈍化膜，抑制基體腐蝕溶解，從而表現出良好的耐腐蝕性能。但是鈍化膜易被強還原酸和無水強氧化劑破壞，因此鈦合金抗還原性酸腐蝕性能仍有待提高。此外，鈦合金零部件連接存在縫隙時，縫隙內鈦合金缺乏氧化性物質而易陽極氧化，發生縫隙腐蝕[9]。為解決上述鈦合金抗腐蝕性能的不足，國外相繼開發了Ti-0.2Pd (質量分數，下同)合金和Ti-0.3Mo-0.8Ni(國內牌號TA10，以下簡稱TA10)鈦合金，前者耐蝕性能好，但含有稀貴金屬Pd而導致成本高，后者不含稀貴金屬，加工性能好，在還原性酸和高溫氯化物的耐蝕性能、抗縫隙腐蝕性能相對普通鈦合金明顯提高，因此在石油、化工、艦船、海洋工程、核燃料廢物處理等領域廣泛應用。
較高的成本是制約鈦合金廣泛應用的重要因素，這主要歸因于海綿鈦原材料貴、鈦合金多次真空熔煉成本高和鈦合金加工工藝流程長。采用電子束熔煉制備鈦合金方坯，利用帶鋼熱軋制機組連續軋制生產鈦合金帶卷可顯著縮短鈦合金加工流程，提高成材率，降低加工成本，這是近年來發展的一種新型大卷重鈦帶卷生產工藝。TA10鈦合金為α鈦合金，加工變形相對容易，但合金中Ni和Mo元素易形成Ti2Ni和β相，其形貌與體積含量對耐蝕性能有著重要影響。而TA10合金的顯微組織與熱加工工藝密切相關，因此有必要評估TA10鈦合金熱連軋板材顯微組織及其性能。
沈陽工業大學聯合中科院金屬所、云南鈦業研究團隊在2023年第43卷第4期《特種鑄造及有色合金》期刊上發表了題為“TA10鈦合金熱連軋板材顯微組織及其性能”。文章研究了930℃下的熱連軋對Ti-0.3Mo-0.8Ni鈦合金板材顯微組織與室溫力學性能的影響。結果表明,熱連軋有效破碎了α-TA10鈦合金中α+Ti2Ni層片組織,獲得了α 基體、晶界Ti2Ni顆粒、α 基體內彌散分布細小β相顆粒的顯微組織,其中晶界Ti2Ni和基體內β顆粒平行于軋向呈帶狀分布。相對于鑄態組織,熱連軋板材中Ti2Ni顆粒周邊存在貧Mo過渡區,而α-Ti基體內發現細小彌散分布的β顆粒,其周邊無明顯貧Mo過渡區。變形組織中α 基體具有較強的織構,相應板材室溫力學性能表現出較強的各向異性,橫向楊氏模量、屈服強度和抗拉強度都高于軋向的。
【試驗方法】
采用電子束冷床爐熔煉Ti-0.3Mo-0.8Ni（TA10）鈦合金板坯，板坯經銑削修磨后尺寸為200 mm×1 050 mm×8 100 mm。對修磨無缺陷板坯進行防氧化處理，預熱至930 ℃，保溫8 h，采用1450 mm熱連軋機軋制，最終板坯出口溫度為650~680℃，厚度為3 mm，軋制完成后空冷至室溫。TA10熱連軋板材(以下簡稱TA10p)合金成分檢測結果見表1，金相法檢測其β相變點為890 ℃。
圖1為TA10p顯微組織與拉伸性能檢測取樣位置。其中軋向(RD)和法向(ND)截面定義為L截面，橫向(TD)與法向(ND)截面定義為T截面。L截面和T截面試樣在研磨、拋光后，采用Kroll試劑腐蝕，在Axiovert 200MAT金相顯微鏡觀察金相組織。采用FEI Apero掃描電鏡觀察鑄態試樣(TA10-cast)和L截面試樣顯微組織，并采用X射線能譜EDS分析檢測典型位置的元素含量。TA10p試樣經研磨、機械拋光后，采用體積比為6：59：35的HClO4、甲醇和正丁醇混合溶液在-30~-20 ℃下電解拋光制備EBSD試樣，EBSD掃描步長為0.15 μm，掃描面積為80 μm×60 μm。利用CHANNEL 5軟件分析顯微組織Kikuchi帶襯度(Band Contrast, BC Map)和小角度晶界分布圖，物相分布圖(Phase Map)，取向成像圖(IPF Map)和取向波動圖(Kernel Average Misorientation, KAM)，分析α相織構，獲得相應極圖和反極圖。在TA10p試樣L截面切取試片，經研磨、電解雙噴后制備出透射電鏡試樣，在Tecnai G2 20透射電鏡觀察物相形貌和衍射斑點，套取細小彌散相衍射斑點采集暗場像，并采用透射電鏡配置的X射線能譜儀EDS采集局部區域的元素分布圖。在TA10p軋向和橫向各抽取3支板狀拉伸試樣，工作段厚度2.5mm，標距35mm，按照GB/T 228標準在配有BT2-EXAMCWD.H04引伸計的Zwick Z150電子拉力試驗機上檢測室溫力學性能，屈服前橫梁位移速率為0.7 mm/min，屈服后橫梁位移速率為4.9 mm/min。從TA10-cast和TA10p試樣上切取20 mm×10 mm×2.4 mm塊狀試樣，經水磨砂紙逐級研磨并拋光至2 mm厚，采用游標卡尺測量試樣尺寸，使用石油醚和酒精清洗試樣，冷風吹干，采用Mettler AE240高精度天平稱量，存放在干燥器皿中備用。
圖1 TA10鈦合金熱連軋板材組織觀察與性能檢測取樣位置示意圖
【圖文結果】
TA10鈦合金930℃熱連軋板材形成短棒狀Ti2Ni顆粒帶狀分布于α晶界，球形β相和納米Ti2Ni顆粒彌散分布于α基體內的顯微組織。
TA10鈦合金熱連軋板材晶界Ti2Ni相周邊存在貧Mo過渡區，α基體內β相和納米Ti2Ni顆粒周邊無明顯貧Mo區，前者Mo含量高，Ni含量略高于基體，而后者Ni含量高，Mo含量與基體接近。
TA10鈦合金熱連軋板材中α相基體具有較強的織構，相應板材室溫力學性能表現出較強的各向異性，橫向楊氏模量、屈服強度和抗拉強度都高于軋向。
圖2 TA10鈦合金鑄錠顯微組織
圖3 TA10鈦合金熱連軋板材L截面背散射電子像
圖4 TA10鈦合金熱連軋板材L截面EBSD分析
（ａ）極圖
（b）反極圖
圖5 TA10鈦合金熱連軋板材中α相極圖和反極圖
圖6 TA10熱連軋板材典型組織透射電鏡明場像與不同位置選區衍射斑點
圖7 TA10鈦合金熱連軋板材晶粒內細小顆粒透射電鏡明場像及其能譜面掃描分析
圖8 TA10鈦合金連軋板材不同方向試樣拉伸工程應力-應變曲線
