本文是发表在 Journal of Materials Research and Technology 上的一篇原创研究，题为《Effects of different annealing cooling methods on the microstructure and properties of TA10 titanium alloys》。主要作者包括 Zhirong Huang, Han Xiao, Jiaxin Yu 等，其中作者隶属于昆明理工大学材料科学与工程学院、国家地方联合工程实验室以及云南钛业有限公司。本研究于 2022 年在线发布，提供开放获取。这项研究重点探讨了不同退火冷却方法对 TA10 钛合金微观结构、机械性能及耐腐蚀性能的影响。

一、研究背景

钛合金因其比强度高、优异的耐腐蚀性能、耐热性和生物相容性，广泛应用于航空航天、海洋以及医疗领域。本研究聚焦于 TA10 钛合金 (Ti-0.3Mo-0.8Ni)，这种接近 α 钛合金由于成本低且具有良好的耐腐蚀性能，在石化领域和海水淡化应用中被广泛采用。研究背景表明，钛合金的性能受到微观结构的显著影响，而微观结构又由热处理过程中的退火冷却方法调控。尽管已有文献研究了退火的温度和介质对钛合金微结构和性能的影响，但对于退火冷却模式变化对 TA10 合金性能的研究尚不充分，因此本研究旨在填补这一空白。

二、研究目的

本研究的目的是通过对比不同的退火冷却方式（包括空气冷却和不同温度的炉冷）对 TA10 合金显微结构、力学性能和耐腐蚀性能的影响，为钛合金的热处理工艺，特别是面向海洋及氯化物环境的应用，提供科学依据和理论指导。

三、研究方法与过程

本研究大体分为以下几个步骤：

1. 试样制备

研究材料是 TA10 钛合金板材，其化学成分为 Ti-0.3Mo-0.8Ni（质量百分比）。合金样品通过以下流程得到： - 在云南钛业有限公司的电子束冷床熔炼炉中冶炼成锭； - 再通过五道次粗轧减少厚度（从 210 mm 到 44 mm）； - 在 900 °C 下热轧七次，最终制备出厚度为 3 mm 的板材。

差示扫描量热法（DSC）测得 β 相变温度为 913.81 °C。

2. 热处理流程

为探究退火冷却的模式影响，共采用以下四种冷却方法进行试验： 1. 空气冷却（AC，”Condition A”）； 2. 从 780 °C 炉冷至 160 °C 后空气冷却（Condition B）； 3. 从 780 °C 炉冷至 100 °C 后空气冷却（Condition C）；
4. 完全炉冷（Condition D）。

3. 测试方法

• 显微组织观察：采用 Nikon Eclipse MA200 光学显微镜和 Zeiss EVO18 扫描电子显微镜（SEM）观察材料显微组织；同时采用 X 射线衍射（XRD）和电子背散射衍射（EBSD）测定相组成和晶粒取向。
• 力学性能测试：使用 SHT4305 电液伺服万能试验机测定拉伸强度、延伸率和 Vickers 硬度。
• 耐腐蚀性能测试：
  • 使用 CHI660 电化学工作站测定开路电位（OCP）、动电位极化曲线、以及电化学阻抗谱（EIS）。
  • 浸泡试验，通过重量损失法评估腐蚀速率。
• 使用 Image-Pro 软件定量分析图像中的 α 和 β 相比例。

四、研究结果

1. 显微组织演变

热轧 TA10 合金以交错长条状 α 相和少量间隙 β 相为主。退火后发生显著变化，长条状 α 相转变为等轴 α 相： - 随退火冷却时间增加，β 相减少，晶粒尺寸增大； - Condition D 下 α 相晶粒最完全且晶粒尺寸最大。

2. 力学性能变化

• 热轧状态样品拉伸强度最高，但延展性和塑性最差；
• 随着退火炉冷时间增加，样品强度和硬度下降，而延展性和伸长率增加。
  
• SEM 显示退火样品断裂模式均为韧性断裂，且晶粒尺寸越大塑性越好。

3. 耐腐蚀性能

开路电位（OCP）测试和动电位极化测试结果表明： - Condition D 样品的开路电位最高 (-0.162V)，腐蚀电流密度最低 (0.996 μA/cm²)，表现出最佳耐腐蚀性能； - Condition B 样品表现出最差的耐腐蚀性能，开路电位最低 (-0.443V)。

电化学阻抗谱（EIS）和阻抗拟合结果同样显示，Condition D 样品氧化膜最致密，腐蚀阻抗（Rp）最大。浸泡腐蚀实验显示，在 5 wt.% NaCl 中，Condition D 样品的腐蚀速率最小，仅为 0.00328 mm/a。

五、研究结论

1. 退火冷却模式显著影响 TA10 钛合金的显微组织与性能。退火后 β 相显著减少，短棒状 α 相逐渐转变为等轴 α 相，冷却时间延长进一步促进晶粒长大。
2. 热轧态样品机械性能与耐腐蚀性能劣于退火态样品。延长炉冷时间可以提升材料的耐腐蚀性，同时降低强度和硬度。
3. Condition D 表现出最佳的综合性能，其长时间炉冷过程有助于 α 相完全再结晶，微观组织的均匀性和晶粒致密性显著提高。

六、研究价值

本研究首次系统探究了不同退火冷却方式对 TA10 钛合金显微组织、机械性能及耐腐蚀性能的深远影响，揭示了微观组织转变与功能性能的内在联系。这为进一步优化钛合金在海洋及酸性环境中的抗腐蚀能力提供了新思路，同时为 TA10 钛合金在实际工业中的热处理工艺制定提供了理论支持。

七、研究亮点

1. 系统研究了不同退火冷却方式对 TA10 钛合金微结构和性能的综合影响；
2. 发现 prolonging cooling time 可以显著增强抗腐蚀性能并优化微观晶体结构均匀性；
3. 提供了工业热处理调控金属腐蚀性能的新见解，具有实际应用价值。