钛合金的热处理工艺如图4所示。主要控制的参数是固溶温度、固溶时间、冷却方式[包括水冷(water quench，WQ)、油冷(oil quench，OQ)、空冷(air cooling，AC)和炉冷(fumace cooling，FC)]、时效温度和时效时间。

图4 典型热处理工艺示意图

1固溶温度对TC21合金显微组织的影响

图5为TC21合金在不同固溶温度下的显微组织。由图5可知，随着固溶温度的升高，αp相的体积分数减少，当固溶温度高于Tβ后，αp相消失。在940℃固溶处理，由于等轴αp相的阻碍，β晶粒的晶界发生弯曲弓出，如图5(c)中的箭头所示。在1000℃固溶处理(>Tβ)，αp相消失，由于β晶粒晶界移动的阻碍消失，β晶粒急剧长大，平均直径可达300μm左右，如图5(d)所示。

由此可见，固溶温度对TC21合金的显微组织影响显著。在(α+β)双相区固溶时，αp相的尺寸、形态与分布将直接影响着β晶粒的尺寸。钛合金的。αp相和β晶粒尺寸对合金的力学性能起着至关重要的作用。为了避免β晶粒的快速长大，TC21合金的固溶温度应选择在Tβ以下为佳，这样可以获得晶粒尺寸比较合适，并且由初生相和次生相混合的双态组织。

图5 固溶温度对TC21合金显微组织的影响

(a)850℃/AC；(b)910℃/AC；(c)940℃/AC；(d)1000℃/AC

2固溶时间对TC21合金显微组织的影响

图6为TCIZ合金固溶处理4h空冷后的显微组织。由图6与图5(a)和(b)可知，随着固溶时间的增加，TC21合金中ap相的体积分数以及分布规律并没有发生显著的变化。由此可见，当固溶处理达到一定时间之后，TC21合金的显微组织对固溶处理时间不敏感，只是固溶处理温度对合金的固溶组织起着决定性的作用。

图6 固溶时间对TC21合金显微组织的影响

(a)850℃/4h，AC；(b)910℃/4h，AC

3冷却方式对TC21合金显微组织的影响

图7为冷却方式对TC21合金显微组织的影响。由图7可知，冷却方式对TC21合金固溶处理后的显微组织影响明显，在WQ和OQ条件下，由于冷却速度较快，只有亚稳β形成而没有βT形成，而在AC条件下，有一定量的βT形成；在WQ和OQ条件下获得的αp相尺寸比AC条件下获得的αp相稍小一些。此种差异是由于AC的冷却速度较慢，合金中的αp相在冷却过程中可以较充分的长大（造成AC条件下合金中αp相含量增加并且聚集长大）。高温下的β相在较慢的冷却过程中也可以得到较充分的转变而形成βT。

图7 冷却方式对TC21合金显微组织的影响

(a)910℃/1h，WQ；(b)910℃/1h，OQ；(c)910℃/1h，AC

4时效温度对TC21合金组织的影响

图8为TC21合金在500℃和600℃时效的组织照片。由图8可知，合金时效后的组织组成为αp相+βT相。随时效的进行，次生α相发生长大合并;随着时效温度的升高，次生的α相逐渐增多。如图8(a)、(b)和(c)所示，在500℃时效，由于时效温度偏低，固溶处理得到的亚稳β在时效过程中缺乏分解的驱动力，形成的次生相比较少。

图8 时效温度对TC21合金组织的影响

(a) 910℃/1h，WQ+500℃/6h,AC；(b) 910℃/1h，OQ+500℃/6h,AC

(c) 910℃/1h，AC+500℃/6h,AC；(d) 910℃/1h，WQ+600℃/6h,AC

(e) 910℃/1h，OQ+600℃/6h,AC；(f) 910℃/1h，AC+600℃/6h,AC

5时效时间对TC21合金组织的影响

图9为TC12合金在550℃时效不同时间的组织照片。由图9可知，随时效时间的延长，βT不断增多，而αp相的尺寸未见明显的变化，只是出现了合并长大现象，尺寸较大的次生条状α相也出现了合并长大现象。

图9 时效时间对TC21合金组织的影响

(a) 910℃/1h，WQ+500℃/2h,AC；(b) 910℃/1h，WQ+550℃/12h,AC

(c) 910℃/1h，AC+500℃/2h,AC；(d) 910℃/1h，OQ+550℃/12h,AC

(e) 910℃/1h，OQ+600℃/2h,AC；(f) 910℃/1h，AC+550℃/12h,AC

6热处理对典型钛合金显微组织的影响

通过控制TC12合金和Ti60合金的热处理工艺条件，获得了 LM组织(lamellar microstructure，LM)和双态组织(bimodal microstructure，BM)两大类，如图10所示。

图10 热处理对典型钛合金显微组织的影响

(a) TC21 970℃/1h，FC；(b)TC21 910℃/1h，AC+550℃/6h,AC

(c) TC21 910℃/1h，FC+550℃/6h,AC；(d)Ti600 1020℃/2h，AC+650℃/8h,AC

(e)Ti600 1005℃/2h，AC+650℃/8h,AC；(f)Ti600 AC+600℃/100h,AC

由图10(d)和(e)可知，Ti600合金固溶温度选择在Tb(l010℃)以上和以下分别可以获得LM组织和BM组织。LM组织的片层厚度为2~3μm；BM组织中αp相的体积分数约为20%，其平均直径约为15μm。

图10(f)为BM组织Ti600合金在600℃热暴露(thermal exposure , TE) 100h后的显微组织。仅从图10(e)和(f)所示的显微组织并不能分辨出BM组织和BM +TE组织的差异。高温钛合金在长期时效或热暴露的过程中，其富含Al的αp相中容易析出α2 (Ti3Al)相。通过透射电镜观察可知，α2相在热暴露后BM组织Ti600合金的αp相中被发现，如图11所示。

图11 热暴露后Ti600合金中α2相的TEM形貌和选区电子衍射花样

(a)TEM形貌；(b)选区电子衍射花样