钛合金是一种高性能的金属材料，因其具有独特的物理与化学特性，在航空航天、生物医学以及汽车制造等高新技术领域得到了广泛地应用。然而，在高温、高压等极端工作环境下，钛合金的性能往往会受到显著影响，特别是其高温蠕变性能，成为制约其长期稳定服役的关键因素。高温蠕变是指钛合金在高温的作用下，逐渐出现塑性变形的现象，其直接影响合金在高温环境下的长期稳定性和工作寿命。对于钛合金而言，高温蠕变性能不仅关乎其在高温条件下的力学性能保持，还与其微观组织的稳定性密切相关。因此，深入分析钛合金在高温环境下的蠕变行为，并通过有效的热处理工艺对合金微观组织进行调控，成为当前材料科学研究的重要课题之一。
1、实验材料与方法
1.1实验材料与设备
实验的研究对象为TC21钛合金，是一种典型的α+β双相钛合金，以Ti作为基本元素，并包含了Al、V、Cr、Fe等合金化元素，因其优异的综合力学性能和高温稳定性，在各个领域中得到广泛应用[1]。为确保实验结果的准确性和可靠性，本次实验从同一批次生产的TC21钛合金板材中，采用线切割技术精确切取了3个圆柱试样，如图1所示。
与此同时，文章采用固溶处理炉、时效处理炉、JEOLJSM-7800F型号扫描电子显微镜（SEM）以及Instron8801型号的高温蠕变试验机，作为本次实验设备。
1.2实验方案
在本次展开的热处理工艺对钛合金微观组织及高温蠕变性能的影响的实验中，综合考虑TC21钛合金的特性与实际应用情况，设计了三种不同的热处理方案[2]，具体方案设计如表1所示。
如表1所示，在本次实验中，分别对TC21钛合金试样1、2、3进行了固溶处理、时效处理、固溶结合时效处理。首先，本次实验设计固溶处理方案如下：将TC21钛合金样品置于真空或惰性气体保护的高温炉中，将样品加热至950℃并保持温度恒定2h，以确保充分的热扩散与微观结构演变；随后采用水淬方式将样品迅速冷却至室温，以保留样品固溶状态。其次，本次实验设计时效处理方案为：在设置了较低温度620℃的时效处理炉中进行TC21钛合金加热，并进行长达8h的保温，以此促进溶质原子的均匀析出，同时避免粗大析出物的形成。最后，本次实验设计的固溶+时效复合处理方案为：先按照固溶处理方案进行操作，确保形成了均匀的过饱和固溶体后，立即转至时效处理阶段，促使基体中析出细小的强化相[3]。实现微观组织的精细调控，进一步提升合金的综合性能。这一过程实现了对钛合金微观组织的调整与控制，从而有效提升合金强度、韧性等综合性能。
1.3实验方法与步骤
在完成实验材料与设备的准备、实验方案的设计后，即可正式展开热处理工艺对钛合金微观组织及高温蠕变性能的影响实验。首先，将切割好的TC21钛合金试样进行清洗、去油处理，确保表面干净无污染后，按照表1中的实验方案与条件，分别对试样进行三种不同工艺的热处理。然后，采用JEOLJSM-7800F型号扫描电子显微镜对经不同热处理后的钛合金样品进行微观组织观察[4]，现场如图2所示。
样品在观察前需进行机械抛光至无划痕，随后进行电解抛光以消除表面应力层。观察过程中，并进一步分析试样析出相的形态特征、几何尺寸和在基体中的分布格局，文章引入了背散射电子成像技术，以此区分基体相与析出相，探讨析出相对材料性能的影响。最后，在Instron8801型号的高温蠕变试验机上进行TC21钛合金试样的高温蠕变性能测试[5]，如图3所示。
在TC21钛合金试样的高温蠕变性能测试前，设定测试温度为600℃，采用恒定应力加载模式，根据钛合金的实际应用需求，选择适宜的应力水平（300MPa）。在测试过程中，连续记录各样品的蠕变应变随时间的变化数据，直至达到预设的蠕变断裂时间或满足实验终止条件，根据蠕变应变与时间数据，计算蠕变速率关键参数，评估钛合金的高温蠕变抗力。
2、实验结果与分析
2.1热处理工艺对试样微观组织的影响
在探究热处理工艺对钛合金微观组织的影响时，文章通过扫描电子显微镜，分别观察了3种工艺处理后的TC21钛合金微观组织结构，如图4所示。
从图4中可以看出，经过固溶处理后，图4试样1的TC21钛合金中形成了α初生相（αp）和β转变组织（βt），其中αp相呈等轴状，尺寸较小，且分布更为均匀，而βt组织则呈现为网篮状结构，层状结构更为细密。经过时效处理后，图4试样2的TC21钛合金中出现了大量的次生α相，这些α相呈针状或片状，弥散分布在β基体中。经过热熔结合时效处理后，图4试样3的TC21钛合金中形成了更为细密的α+β双相组织，且αp相与βt组织的界面更为清晰，这种组织结构具有更为优越的强度与韧性等物理特性。因此，不同的热处理工艺对试样的微观组织具有显著影响，进而影响其力学性能：固溶处理通过高温加热使图4试样1的TC21钛合金中的元素充分扩散，随后快速冷却以抑制析出相的形成，进而获得均匀的过饱和固溶体，虽然其塑性和韧性较佳，但强度与硬度难以保证；而时效处理通过在一定温度下保温，使图4试样2的TC21钛合金中的亚稳相发生分解，析出次生α相，以此提高了试样的强度和硬度，但无法兼顾试样的塑性与韧性；固溶+时效处理结合了两种热处理工艺的优点，可以获得具有全面且良好力学性能的钛合金。
2.2热处理对试样高温蠕变性能的影响
在探究热处理工艺对钛合金高温蠕变性能的影响时，文章先采用Instron8801型号的高温蠕变试验机进行了各试样的高温压缩蠕变，再采集并记录了三种工艺处理后的TC21钛合金蠕变应变测试数据，具体结果，如表2所示。
根据表2数据可知，固溶处理通过均匀化TC21钛合金元素分布，减少了晶界和相界的缺陷，从而在一定程度上降低了蠕变速率，提升合金的塑性和韧性。然而，单纯的固溶处理未形成有效的强化相，导致钛合金蠕变应变随时间增长较快，在第50h蠕变应变增长至1.22%，其抗蠕变能力较弱。时效处理通过析出细小均匀的相，有效强化了试样的基体，阻碍了蠕变过程中晶体的滑移和变形，进而提高TC21钛合金的抗蠕变性能，在第50h蠕变应变仅增长至0.72%。而固溶+时效处理综合了固溶处理和时效处理的优点，既消除了合金内部的应力集中和缺陷，又通过析出相强化了基体。此工艺下的TC21钛合金在高温蠕变测试中表现出最优异的性能，蠕变应变增长最为缓慢，在第50h蠕变应变仅增长至0.52%。因此，不同热处理工艺对TC21钛合金的高温蠕变性能具有显著影响：固溶处理虽能改善合金的塑性和韧性，但对蠕变性能的提升有限；时效处理通过析出强化显著提高了合金的抗蠕变性能；而固溶+时效处理则综合了两者的优点，获得了最优异的蠕变性能。在实际应用中，推荐采用固溶+时效处理工艺以提高TC21钛合金在高温条件下的使用寿命和可靠性。
3、结束语
文章通过实验分析的方式，揭示了不同热处理工艺与钛合金微观组织特征、高温蠕变性能之间的内在联系，得到研究结果：不同热处理工艺对钛合金微观组织和高温蠕变性能具有显著影响，其中固溶结合时效的复合热处理工艺可以细化钛合金试样的晶粒、优化析出相分布，形成α+β双相组织，进而提升钛合金的力学性能和抗蠕变性能。文章研究结果不仅丰富了钛合金材料热处理理论，也为优化热处理工艺、提升钛合金在高温环境下的应用性能提供了实验依据和理论指导。未来，将进一步细化热处理工艺参数，探索更加精细化的微观组织调控方法，并深入研究钛合金在高温蠕变过程中的微观机制，以期优化钛合金材料的高温性能。
参考文献
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[2]钟修杨，邓同生，朱志云，等.时效处理对稀土钪微合金化钛合金组织与性能的影响[J].金属热处理，2022，47（7）：40-46.
[3]徐智博，杨建凯，肖树龙，等.热处理对（TiB+TiC）/Ti-B20复合材料拉伸性能和蠕变性能的影响[J].中国有色金属学报，2023，33（11）：3722-3732.
[4]黄健康，吴昊盛，于晓全，等.钛合金电弧增材制造工艺及微观组织调控的研究现状[J].材料导报，2023，37（14）：101-106.
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