Academic Report of the Study on TA10 Titanium Alloy Annealed by EBCHM Technology

第一部分：研究作者及发表信息

本文研究由Jiaxin Yu、Qingquan Yuan、Haiguang Huang、Zhirong Huang、Hongyu Zhang、Junsheng Wang、Kun Liu、Kun Yu和Han Xiao等学者共同完成，作者分别来自昆明理工大学材料科学与工程学院及云南钛业股份有限公司。论文发表于2023年7月，刊登于《Metallurgical and Materials Transactions A》。

第二部分：研究背景

钛及其合金由于其低密度、非磁性、高比强度和卓越的抗腐蚀性能，被广泛应用于航空航天、化工设备以及高性能海洋工程设备中。而TA10钛合金（Ti–0.3Mo–0.8Ni）作为一种近α钛合金，因其在高氯化物浓度和高温环境下的优异缝隙腐蚀抗性，已成为工业领域研究与应用的热点之一。相较于纯钛及TA9合金，TA10合金因其优良的抗腐蚀性能与较低成本的Mo和Ni元素成分被认为适合用于稀盐酸蒸汽热交换器、氯碱工业、真空制盐设备等。然而，传统的三次真空电弧重熔（VAR）工艺在高密度夹杂物去除方面存在不足，而电子束冷坩埚（EBCHM）熔炼技术凭借其在夹杂物析出与蒸发杂质方面的优势被认为是一种低成本、高纯度的生产工艺。本研究旨在通过EBCHM技术熔炼的TA10合金，探索退火温度对合金微观结构演变、力学性能及耐腐蚀性能的影响，为可工业化生产高性能低成本TA10板材提供理论基础及工艺规范。

第三部分：研究流程

本研究采用EBCHM技术制备的TA10合金作为试验材料，通过热轧获得厚度为3mm的板材，随后进行退火处理及相关性能检测。研究流程可分为以下几个步骤：

1. 材料及退火工艺：
   TA10合金先后经历660°C、700°C、740°C、780°C和820°C等五种退火温度（均退火1小时）后的空气冷却。研究中，使用尺寸为10×10×3 mm³的样品进行微观结构与浸泡腐蚀测试，6×8×3 mm³的样品进行电子背散射衍射（EBSD）测试。

2. 显微结构表征与化学组成分析：
   使用光学显微镜（OM）与扫描电子显微镜（SEM）观察合金微观结构变化，同时辅以电子探针（EDS）与X射线衍射（XRD）分析各相的化学组成及相的分布情况。此外，利用Image-Pro-Plus软件计算各相的体积分数。

3. 力学性能测试：
   拉伸试验样品沿轧制方向切割并机械抛光，使用SHT4605试验机测试拉伸强度与延伸率。冲击测试样品尺寸为10×2.5×55 mm³，Vickers硬度使用HMV-G21S试验机完成。

4. 抗腐蚀性能研究：
   静电开路电位（OCP）及极化曲线测试，以及电化学阻抗谱（EIS）均在3.5 wt% NaCl溶液中进行；浸泡腐蚀实验时间为720小时，计算腐蚀速率。

第四部分：研究主要结果

1. 显微结构演变：

   • 随退火温度的升高，层状α相逐渐球化，而β相的体积分数逐渐减少。在780°C时，α层状相基本消失，微观组织主要由等轴α相组成。
   • SEM分析显示层状α相厚度从热轧态的1.17 µm增至退火样品（700°C）的2.23 µm，最后在820°C时出现组织异常长大。

2. 织构及晶粒取向：
   退火后合金的变形储存能显著降低，大量再结晶晶粒出现。EBSD分析表明，在780°C时，变形结构显著减少（由78.5%减至12.4%），高角度晶界（HAGBs）比例从27.3%提高到55.9%，并观察到基面{0001}织构的明显弱化。

3. 力学性能及断裂机制：

   • 随退火温度升高，抗拉强度（UTS）下降而塑性逐渐提高。在780°C退火条件下，UTS为533.09 MPa，延伸率（EL）为27.6%；综合力学性能最佳。拉伸断裂为韧性断裂，断口韧窝随着退火温度升高而增大。
   • 维氏硬度值则随退火温度升高逐渐降低，从热轧态的205.01 HV下降到820°C退火后的169.81 HV。同时，冲击韧性值也随温度增高而提高，在780°C退火样品中的冲击能量为8.83 J。

4. 耐腐蚀性能：

   • 极化曲线分析显示，退火后合金的腐蚀电流密度（icorr）显著下降，而腐蚀电位（Ecorr）显著提高。浸泡腐蚀实验显示，腐蚀速率随着退火温度升高而下降。在780°C退火条件下，腐蚀率仅为0.00493 mm/a。
   • EIS研究表明，退火温度升高显著提升了合金表面氧化膜的稳定性，其在820°C时完全形成稳定钝化膜。

第五部分：研究结论

通过本研究，可以得出以下结论：
1. 退火处理改变了TA10合金的微观结构。在780°C时，层状α相完全转化为等轴α相，实现了显著的再结晶。 2. 随退火温度升高，合金的塑性显著改善，而强度略微下降。在780°C退火条件下，材料的综合力学性能达到最佳。 3. 耐腐蚀性能随着退火温度的升高显著提升，退火温度为780°C和820°C的合金具有最佳的抗腐蚀能力。 4. 采用EBCHM技术结合适当退火温度，可以降低制造成本并生产出具有优良性能的TA10钛合金板材，具有较高的工业应用前景。

第六部分：研究亮点

1. 高效的生产工艺：
   本文展示了基于EBCHM技术结合热轧与退火处理的低成本、高性能TA10合金生产工艺。
2. 优异的综合性能：
   退火后合金在780°C下显示了优异的力学性能与耐腐蚀性能平衡。
3. 理论贡献：
   本研究揭示了不同退火温度对TA10合金微观结构演变的详细机理，同时确认了微观组织对力学及抗腐蚀性能的增强作用。

第七部分：研究意义

本研究为改进TA10钛合金的制备及热处理方法提供了理论支持。在工业应用中，TA10合金不仅可以满足航空航天、化工设备等领域对轻质、防腐材料的需求，还能以较低成本实现大规模生产。因此，本研究的成果无论在学术上还是实际应用中都具备十分重要的意义。