1. 引言

钛合金拥有较高的比强度，，优良的塑性、、韧性、、高耐侵蚀性，，作为一种结构资料被宽泛利用于航空航天、、汽车、、生物医疗等领域[1–3]。TC18钛合金属于亚稳 β 钛合金，，能够通过两相区固溶+时效工艺(STA)获得典型的双态组织而拥有优异的综合力学机能[4]。

TC18 的初生相(αp)、、次生相(αs)、、β 晶粒是其重要的组成相，，对力学机能有很大的影响。等轴状的初生相(αp)会增长合金的塑性，，而微米级的针片状次生相通过故障位错的滑移来提高合金的强度[5,6]。此外，，β晶粒也是影响合金机能的重要单元之一，，在 a/β 转变温度以下的固溶处置时，，β 晶；；嵊捎诔跎嗟亩ぴ饔枚薹ǔご，，在a/β 转变温度以上的固溶处置时，，由于初生相全数回溶到基体中，，β 晶粒短缺初生相的钉扎而逐步长大，，降低了合金的塑性、、韧性[7–9]。因而，，为保障合金的综合力学机能，，必要选择合理的热处置工艺来调控初生相和次生相的占比和尺寸，，形成拥有良好综合力学机能的双态组织[10,11]。目前关于 TC18 合金在分歧工艺下的析出行为以及定量钻研仍较少，，对于组织的定量表征大多停顿在手工统计的阶段，，不利于高精度的定量钻研和对工艺组织机能关系的深刻分析。随着深度学习算法的发展，，选取最新的深度学习步骤能够进行组织定量表征。本文在钻研合金组织演变法规和机理的基础上，，选取 MIPAR 软件的深度学习
？？？，，实现定量分析组织图像中分歧相的占比和尺寸，，达到了高精度、、高效能定量化分析 TC18 组织图像的主张。本文了局有助于出产实际中对 TC18钛合金组织实现精密化节制，，拥有重要的钻研意思。

2. 资料与尝试 步骤

本文中的尝试资料为锻态 TC18钛合金，，名义成分为 Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，，其化学成分如表 1 所示，，选取金相法测得其 β 转变温度为 890 ± 5℃。

利用电火花线切割设备从锻件上获得尺寸为 8 mm × 8 mm ×10 mm 的试样进行热处置，，为了获得综合机能优良的双态组织，，选取的热处置工艺为固溶+时效(STA)，，其中固溶工艺选取 10℃为一个距离，，从 710℃-860℃共 16 个固溶温度，，保温 2h 后空冷；；时效工艺为 500℃、、550℃两个温度，，保温 3h 后空冷，，共 32 条工艺(图 1(a))。试验所用钛合金初始状态为锻态，，其组织为微米级(μm)等轴状和棒状的初生相(αp)，，纳米级(nm)针片状次生相(αs)，，以及作为基体的 β 相(图 1(b))。

对尝试资料在室温环境下拉伸，，拉伸试样工作段截面为 2 mm × 5 mm 的矩形，，拉伸试验设备为 Instron5982 全能拉伸机。选取 2 mm/min 的位移速度对 TC18 合金进行了拉伸机能测试。为保障数据的正确性，，每组工艺选取三个平行拉伸试样，，最终得到均值和方差来正确地反映合金的机能数据（抗拉强度、、断后伸长率）。

对于经过 STA 热处置的组织试样，，首先，，在目数别离为 80、、400、、1000 和 2000的碳化硅(SiC)砂纸上沾水顺次打磨用于微观结构观察的样品，，而后在-30℃的液体环境中，，在甲醇：：：正丁醇：：：高氯酸 = 6:3:1 的抛光液中进行电化学抛光。在 HF: HNO₃:H₂O = 3: 7: 90 的溶液中对 SEM 样品进行侵蚀。使用 FEI Quanta 650 FEG 扫描电子显微镜（SEM）钻研分歧热处置工艺下的微观结构特点，，得到分歧倍率的组织图像(5,000×-100,000×)。

定量表征组织图像步骤注明

本文钻研了固溶温度＋时效温度对TC18钛合金显微组织、、力学机能的影响法规。为确保数据正确性，，选用了 MIPAR 软件的深度学习
？？？槎客臣品治 TC18钛合金组织在 STA 工艺中的变动趋向，，预防了传统手工丈量的主观误差和不成靠性。

众所周知，，在定量统计的工作中，，其难点在于若何正确宰割微米(μm)初生相(αp)、、纳米级(nm)次生相(αs)，，由于次生相(αs)在基体中呈弥散散布，，大量的次生相天堑互订交叉堆叠，，给定量统计工作带来了难题(图 2(a-b-c))。传统定量统计往往选取手动宰割的方式，，这给定量分析工作带来了更复杂的工作，，并且引入了报答的不确定性[12]。

为此，，我们选取 MIPAR 的深度学习
？？？，，通过训练模型，，实现了自动图像宰割。如图 2(d)所示，，展示了对原始扫描电镜(SEM)图像的标注过程；；图 2(e)显示了初生相象征的天堑清澈；；图 2(f)则展示了初生相与次生相的象征成效，，有效象征了微米级和纳米级的相，，从而保障了统计了局的高可信度。

定量阶段数据起源于统计对应工艺下 20 张 SEM 组织图像，，所有图像的倍率皆为 20,000×，，这是由于该倍率下能两全统计微米级(μm)初生相和纳米级(nm)次生相，，以便在定量处置时获得更为合理的统计了局。图 4 为对初生相的体积分数统计的了局，，对于每个工艺选取了 20 张图片进行定量统计（统一色彩的暗示统一工艺），，其中，，最后一列暗示了该工艺的均值和误差，，较小的误差讲了然统计拥有较高的正确性。

3. 尝试了局与会商

3.1 固溶温度对合金组织和机能的影响法规

图 3(a)为 TC18钛合金在 α/β 两相区温度固溶处置+时效处置工艺(STA)的组织。

从图 3 能够看出，，通过 STA 工艺得到的组织为典型的等轴组织(αp<30%)和双态组织(αp>30%)。在 β 基体上散布着肯定数量的 α 相，，其定量统计的数据如图 4 所示。结合图 3 和图 4 分析发现，，一样前提下，，随着固溶温度的升高，，组织中初生相(αp)的体积分数逐步削减，，棒状的初生相(αp)在 820℃时险些隐没仅留劣等轴状的初生相(αp eq )。

凭据最小界面能道理，，较小尺寸的初生相(αp)和长棒状初生相(αp)的理论高，，因而其状态不不变，，会在固溶过程中优先溶化[13]。

在较低的固溶温度下(710℃)，，TC18 合金组织中析出的次生相(αs)小，，这是由于组织中较多的初生相(αp)存在，，使得残存的 β 相中的 β 不变元素增多，，β 相的不变性提高，，使在时效过程中析出的次生 α 相的相变驱动力变小，，因而析出的次生 α 相比力藐小[14,15]。随着固溶温度的升高，，析出的次生相(αs)的数量进一步提升，，析出方式也趋于密集弥散型。对于较低的固溶温度 (710℃)，，组织存在肯定量的无析出区 (PFZ)(图 3(b))，，在固溶温度升高到 750℃时，，无析出区(PFZ)的情况得到改善。

在上述得出组织演变法规的基础上，，结合工艺-机能曲线的分析，，能够发现一样前提下随着α/β两相区固溶温度的上升，， TC18合金的强度上升而塑性降落(图5(a)(c))。

结合合金组织随工艺的变动情况分析发现，，这是由于固溶温度升高，，初生相(αp)体积分数削减，，初生相(αp)回溶导致 β 相体积分数增大，，因而 β 基体中 β 不变元素含量降低，，β 基体不变性变弱，，推进时效过程中次生 α 片的层析出，，次生相难以协调变形，，导致资料在变形过程中晶界难以滑移，，因而资料强度增高而塑性降低[16,17]。结合图4、、图 5 分析能够得到，，在时效温度为 500℃温度下，，随着固溶温度的升高，，其初生相的体积分数从最初的 45.33%±2%(710℃)降低到了 0.3%±0.08%(860℃)，，其次生相 αs体积分数由 15.73%±0.9%(710℃)升高到了 46.08%±1.7%(860℃)，，这就导致了合金抗拉强度升高，，即从 1219.15±37MPa(710℃)到 1492.81±17.66MPa(860℃)，，延长率从 12.67%(710℃)降低到 3.29%(860℃)；；然而在时效温度为 550℃时，，随着固溶温度的升高，，其初生相的体积分数从最初的 61.12%±3.9%（710℃）降低到了 2.34%±0.5%（860℃），，其次生相αs体积分数由6.6%±1%(710℃)升高到了42.72%±3.7%(860℃)，，这就导致了合金抗拉强度升高，， 即 从 1055.99±66MPa(710℃) 到1423.7±13.67MPa(860℃)，，延长率从 13.18%(710℃)降低到 3.28%(860℃)。

在固溶温度升高的过程中，，陪伴着初生相的溶化，，时效析出的次生相体积分数增长，，无析出区域(PFZ)的体积分数也在削减，，这是切合钛合金组织转变法规的，，现实上若仅对 TC18钛合金进行固溶处置，，则原始状态微观组织中的藐小针状的 α 相将齐全隐没，，次生相(αs)将重新溶入到 β 基体中形成过饱和固溶体，，在后续的低温时效过程中，，次生相重新析出[18]。

3.2 时效温度对合金组织和机能的影响法规

时效处置是在固溶处置之后进行的，，旨在通过析出次生相来细化微观组织以提高资料的机械机能。时效温度的变动会对合金内部相的结构、、数量以及散布产生显著的影响[19–21]。经过期效处置后，，细针状的淡玄色次生相(as)从固溶合金的基体上析出了，，弥散散布在基体中。这是由于 TC18钛合金在 a/β 两相区温度进行固溶处置时，，使得合金元素溶入 β 基体中，，并且固溶温度越高，，初生相溶化在基体中的成分就越多，，导致在快冷时(空冷)产生非平衡转变加剧，，从而形成的不不变过饱和固溶体就越多(亚稳 β 相)，，亚稳 β 相的体积分数越大会导致相内不变元素占比降落，，因而 β 相不变性降落，，这种不不变的状态在随后的时效处置中得到解决，，其阐发大局为从基体中析出纳米级(nm)的次生相(αs)，，即固溶温度越高时，，时效析出的次生相(αs)也就越多(图4(f))，，时效强化成效越强[22]。值妥贴心的是在时效析出的次生相尺寸并不受固溶温度的影响 (图 6)，，只有在时效温度的升高时，，析出的次生相(αs)边缘才会逐步粗化，，具体阐发为次生相(αs)的宽度由最初的 40nm ± 5nm(500℃)，，长大为 70nm ±8nm(550℃)，，因而能够确按时效温度是影响次生相宽度的重要成分。

钻研发现，，较低的时效温度有助于改善组织中的无析出区(PFZ)。以 730℃固溶温度和 500℃时效温度为例，，合金组织中未见无析出区(PFZ)，，然而在时效温度升高到550℃时，，能够观察到一些无析出区(PFZ)的出现(图 3(c))，，这是由于较高的时效温度增长了空位浓度及其迁徙速度，，也使得基体过饱和度降落，，相变驱动力降落，，从而导致次生相(αs)难以从 β 基体中析出[23]。因而能够观察到沉淀得到的次生相(αs) 含量削减(如图 4(f))，，且尺寸(宽度)变大(如图 6)。

钻研发此刻固溶温度一按时，，较高的时效温度会导致初生相的体积长大(图 4(e))，，例如在固溶+时效工艺为 710℃+500℃时，，其初生相的体积分数为 45.33% ± 2.2%，，然而其时效温度升高 50℃时，，其初生相体积分数增长了 15.78% ± 2.6%，，初生相体积分数随时效温度的升高而上升，，这是由于较高的时效温度为初生相的长大提供了能量。

定量统计图的分析了局批注，，时效温度升高对初生相晶粒长大有推进作用，，并且对固溶温度处在 740℃-760℃以及 800℃-860℃的合金组织作用显著(图 4(e))。

在上述分析工艺对组织的演变法规的基础上，，结合拉伸机能曲线与组织演变法规的分析发现，，在一样前提下 500℃时效处置获得的合金强度更高(图 5(b))，，这是由于较低的时效温度析出的次生相宽度尺寸更小(图 6)，，大量次生相是强化亚稳 β 钛合金最常用且最有效的析出强化伎俩。次生相可能有效故障变形过程中位错活动，，提高合金强度[24,25]。此外，，较低温度也有助于改善无析出区。对固溶处置在 710-800℃温度区间，，时效温度为 550℃的合金进行力学机能分析，，发现其塑性高于 500℃时效处置的合金。这是由于较高的时效温度下，，次生相析出的体积分数更少(图 4(f))，，而初生相相对更多(图 4(e))，，等轴初生相占比多导致其塑性更好，，但在较高的固溶温度下(800-860℃)，，其塑性相差不大，，即不再受时效温度的影响(图 5(d))[5]。

4. 结论

1.随着固溶温度的升高，，TC18钛合金组织中初生相(αp)的体积分数逐步削减，，且长棒状的初生相(αp)在 820℃时隐没，，组织中仅存等轴状的初生相(αp eq )；；随着固溶温度的升高，，时效析出的次生相(αs)的数量显著提升，，析出方式也由分散析转为密集弥散型析出。

2. TC18钛合金在较低的温度固溶处置时(710℃)，，组织中的次生相(αs)体积分数小，，且有肯定量的无析出区产生(PFZ)，，组织中的无析出区(PFZ)能够通过降低时效温度或提高固溶温度的步骤来改善。

3. 时效处置通过节制合金的次生相(αs)的尺寸和含量来节制合金的强度，，较高的固溶温度和较低的时效温度能够获得强度更高的合金。固溶温度越高，，次生相(αs)占比越多，，合金强度越高；；时效温度越高，，析出的次生相(αs)占比降低且边缘粗化，，合金强度随之降低。

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基金项目：：：

本钻研得到国度天然科学基金赞助（核准号：：：52071185 和 52271249），，内蒙古天然科学基金（核准号：：：2024JQ03），，内蒙古自治区高档学堂创新团队发展打算（核准号：：： NMGIRT2211），，内蒙古工业大学资料科学重点学科团队项目（核准号：：：ZD202012），，内蒙古自治区直属高；８蒲幸滴穹严钅浚ê俗己：：：JY20230108），，陕西省钻研与发展打算（核准号：：：2023-YBGY-488）。

第一作者简介

朱永成，，男，，硕士钻研生，，钻研方向：：：机械学习、、钛合金，，yongchengzhu001@163.com

通讯作者简介

1.杜赵新，，男，，博士钻研生，，教授，，钻研方向：：：先进轻金属资料（钛合金、、铝合金）制备、、金属资料塑性成形、、高机能合金组织机能节制、、结构及医用钛合金，，duzhaoxin@163.com

2.巩天浩，，男，，博士钻研生，，讲师，，钻研方向：：：铝合金，，gth@imut.edu.cn