1 前言
由α相和β相组成的α+β型钛合金，可通过合金元素的种类及热处理工艺条件来调控其相组成与显微组织，从而实现对所需力学性能的精确调控。在合金元素的选择方面，长期以来，氧、氮、铝、铁、铜、硅等价格低廉且资源丰富的元素备受关注。本研究则重点考察了其中具有β稳定化效应的铁和铜。现有文献已对铁、铜复合掺杂和双轴锻造制备的α+β型钛合金开展了相关研究，但针对经轧制工艺处理的同体系铁铜改性钛合金的研究仍较为少见，其显微组织与力学性能之间的关联性尚不明确。为此，本研究对Ti-xFexCu-1.5Al合金的显微组织及其力学性能进行了系统分析。
2 试验方法
本研究选用高纯度Ti、Fe、Cu及Al作为原料，按照Ti-xFe-xCu-1.5Al（x=1，2，3，4wt.%）的目标化学成分进行精确称量与配比，在非消耗电极电弧熔炼炉中熔炼。将熔炼所得合金在高于β相区的1000℃下保温1h进行均质化退火处理，以消除铸造应力并优化初始组织。随后，将试样加热至800℃进行热轧加工，总压下率控制在80%。
为进一步探究热处理工艺对微观组织演变的影响，将热轧后的试样置于气氛控制管式真空炉中，分别在不同温度下进行固溶处理（保温30min），随后进行水淬急冷，以固定高温相组织。
试样的微观组织结构表征采用X射线衍射仪（XRD）进行物相分析，并利用扫描电子显微镜（SEM）配合背散射电子（BSE）模式观察显微组织形貌。力学性能评价方面，采用显微维氏硬度计测定材料硬度，并通过万能材料试验机进行室温拉伸试验，以获取应力-应变曲线等关键指标。
3 试验结果与分析
图1展示了具有优异强塑性匹配的Ti-3Fe-3Cu-1.5Al合金试样在不同热处理温度下的背散射电子（BSE）图像。试验结果表明，热处理温度对合金的相组成及形态具有显著影响，在900℃处理时，试样呈现出典型的β单相组织特征，晶粒较为粗大；当温度降至800℃时，组织转变为α+β双相结构，其中暗色衬度为初生α相，亮色衬度为β相，且呈现出等轴状分布；在700℃处理时，组织进一步复杂化，由α相、β相及金属间化合物（Ti2Cu）组成。随着热处理温度的降低，亮色衬度的β相面积分数显著减少，特别是在700℃时，观察到β相基体内析出了细小的金属间化合物及二次α相。
图2展示了不同热处理状态下合金的真应力-真应变曲线。综合分析表明，该合金系在特定热处理下表现出良好的强度与塑性平衡。在800℃和700℃处理下，合金均呈现出等轴组织特征，拉伸试验中延伸率均超过10%，显示出良好的塑性变形能力，这主要归因于等轴状微观组织有利于应力的均匀传递，延缓了裂纹的萌生。其中，800℃处理的试样表现出最佳的综合力学性能，抗拉强度超过1000MPa。其高强度主要归因于以下两个机制：一是固溶强化，Fe和Cu作为β相稳定元素，大量固溶于β相晶格中，引起晶格畸变，显著提高了基体强度；二是相界强化，此时合金保留了较高体积分数的β相，且α/β相界面对位错运动产生了有效的阻碍作用。
4 结论
本研究通过调控热处理温度，成功实现了对Ti-3Fe-3Cu-1.5Al合金中α相与β相体积分数的精确控制，进而优化了合金的强度与塑性匹配。试验结果表明，在800℃热处理条件下，合金形成了以β相为基体的等轴组织，得益于Fe和Cu元素对β相的显著固溶强化作用，该合金在保持良好塑性的同时，抗拉强度突破了1000MPa。相比之下，700℃处理虽能获得更高塑性，但强度有所下降。
综上所述，通过调整热加工工艺以调控双相组织的比例，是开发兼具高强高塑特性的低成本钛合金的有效途径。
