TC11鈦合金是我國(guó)于20世紀(jì)70年代末研發(fā)的一種α+β型鈦合金。該合金具有良好的可加工性和熱穩(wěn)定性，可在500～550℃長(zhǎng)時(shí)間使用。當(dāng)TC11鈦合金用于制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣盤、葉片、機(jī)閘等關(guān)鍵零部件時(shí)，需要具備良好的室溫力學(xué)性能、高溫強(qiáng)度和沖擊韌性等［1］。通過(guò)熱處理可以對(duì)TC11鈦合金的組織進(jìn)行調(diào)控，從而使其獲得優(yōu)異的綜合性能［2－4］。目前，TC11鈦合金最為常規(guī)的熱處理制度為(950～970)℃/120min/AC+530℃/360min/AC。

然而，對(duì)于直徑在200mm以上的大規(guī)格TC11鈦合金棒材，熱處理過(guò)程中，往往由于心部溫降緩慢而造成不同位置的組織和力學(xué)性能出現(xiàn)差異［5］。此外，TC11鈦合金的合金化程度高，含有易偏析元素Mo，故加工過(guò)程中合金組織對(duì)工藝參數(shù)十分敏感，組織均勻性的控制難度較大［6］。因此，研究了大規(guī)格TC11鈦合金棒材熱處理后組織和力學(xué)性能的分布規(guī)律，以期為實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中組織和力學(xué)性能的均勻性控制提供參考依據(jù)。

1、實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為經(jīng)過(guò)3次真空自耗電弧爐熔煉的TC11鈦合金鑄錠，其直徑為620mm，主要化學(xué)成分為:Al6.5%，Mo3.52%，Zr1.69%，Si0.31%，余量為Ti。金相法測(cè)得鑄錠相變溫度為1000～1005℃。鑄錠經(jīng)β相區(qū)開坯，α+β相區(qū)多火次鍛造，得到規(guī)格為φ200mm×1300mm的棒材。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)TC11鈦合金棒材進(jìn)行970℃/120min/AC+530℃/360min/AC熱處理。按圖1a所示，沿棒材長(zhǎng)度(L)方向分別在L、L/4、L/2處截取φ200mm×20mm盤片，每個(gè)盤片沿直徑(D)方向分別在D、D/4、D/2處取金相試樣和拉伸試樣。采用OLYM-PUSPLAG3光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。采用INSTＲON8985萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫、高溫拉伸性能試驗(yàn)。按圖1b所示，在棒材另一端L處沿D至D/2處平均取6個(gè)沖擊試樣，標(biāo)記為1#～6#。采用ZBC2602-CE沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)(U型缺口)，測(cè)量試樣的沖擊韌性。

2、結(jié)果與分析

2.1顯微組織

圖2為經(jīng)970℃/120min/AC+530℃/360min/AC熱處理后TC11鈦合金棒材沿長(zhǎng)度方向和直徑方向不同位置的顯微組織。D處沿長(zhǎng)度方向(L至L/2處)的顯微組織(圖2a～2c)變化較小，主要表現(xiàn)為等軸初生α_p相晶粒長(zhǎng)大，部分次生α_s相由針狀逐漸長(zhǎng)大成短條狀。D/2處沿長(zhǎng)度方向(L至L/2處)顯微組織(圖2g～2i)變化最為明顯，越靠近L/2，等軸初生α_p相含量越多且晶粒尺寸更大，次生α_s相由針狀長(zhǎng)大成短條狀甚至棒狀，β相含量逐漸減少，在D/2、L/2處的顯微組織幾乎全部為初生α_p相和次生α_s相。D/4處TC11鈦合金的顯微組織(圖2d～2f)變化介于D和D/2之間。

顯微組織主要與TC11鈦合金棒材熱處理過(guò)程中的溫度變化有關(guān)。TC11鈦合金的導(dǎo)熱性較差，在熱處理過(guò)程中存在一定的溫度梯度，在長(zhǎng)度和直徑方向上越靠近心部，棒材的冷卻速度越慢，使得初生α_p相和次生α_s相有足夠的時(shí)間緩慢長(zhǎng)大，越靠近棒材表面，熱處理后冷卻速度越快，α相來(lái)不及長(zhǎng)大，同時(shí)可以將更多的β相保留下來(lái)。

2.2室溫拉伸性能

圖3為熱處理后TC11鈦合金棒材不同位置的室溫拉伸性能。沿棒材長(zhǎng)度方向從L至L/2處，在D和D/4位置的強(qiáng)度變化較小，但D/2處的室溫拉伸性能存在明顯差異，靠近L/2處，強(qiáng)度顯著降低，塑性增加。室溫拉伸性能的變化主要與棒材顯微組織的變化有關(guān)。沿長(zhǎng)度方向，棒材D/2處的顯微組織變化最為明顯，因此，室溫拉伸性能的變化也更具有規(guī)律性。這主要是因?yàn)檠亻L(zhǎng)度方向，棒材D/2處的初生α_p相含量增加，β相含量降低，致使α/β相界面減少，對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用減弱，使材料更容易發(fā)生變形，強(qiáng)度降低，且隨著初生α_p相含量的增加，材料的變形協(xié)調(diào)性增加，致使塑性略微增加［7］。

2.3高溫拉伸性能

圖4為TC11鈦合金棒材不同位置的高溫拉伸性能。從圖4可以看出，TC11鈦合金棒材的高溫抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)出沿不同方向越靠近心部，強(qiáng)度越低。鈦合金的高溫拉伸行為較室溫拉伸行為更加復(fù)雜，受多種因素影響，但也主要與顯微組織有關(guān)。如前所述，沿長(zhǎng)度方向越靠近L/2處，初生α_p相、次生α_s相含量增加，β相含量降低。觀察L處沿直徑方向顯微組織變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，越靠近D/2處，初生α_p相和β相晶粒長(zhǎng)大越明顯。α_p相含量增加會(huì)降低高溫抗拉強(qiáng)度，同時(shí)，次生α_s相片層厚度增加、方向性增強(qiáng)，β晶粒尺寸長(zhǎng)大等顯微組織的變化，也都會(huì)造成高溫抗拉強(qiáng)度的降低［8］。從圖4還可以看出，棒材不同位置的高溫塑性變化不大，說(shuō)明顯微組織變化對(duì)高溫塑性的影響較小。

2.4沖擊韌性

圖5為熱處理后TC11鈦合金棒材L處不同位置的沖擊韌性。從圖5可以看出，沿棒材直徑方向，越靠近心部，沖擊韌性越低。對(duì)比L處不同位置顯微組織可以發(fā)現(xiàn)，由D處到D/2處，棒材的初生α_p相和次生α_s相晶粒逐漸長(zhǎng)大，含量增加，對(duì)應(yīng)β相含量逐漸減少。初生α_p相界有利于微裂紋的形核［9］，因此，初生α_p相含量增加，TC11鈦合金棒材的沖擊韌性降低。

3、結(jié)論

(1)經(jīng)970℃/120min/AC+530℃/360min/AC熱處理后，大規(guī)格TC11鈦合金棒材不同位置的顯微組織存在一定差異。其中，D/2處組織變化最為明顯，主要表現(xiàn)為α相含量增加，晶粒長(zhǎng)大，β相含量降低。

(2)大規(guī)格TC11鈦合金棒材不同位置的室溫拉伸性能變化與顯微組織密切相關(guān)。沿長(zhǎng)度方向，D/2處的顯微組織差異最為明顯，室溫拉伸性能表現(xiàn)為由邊部至心部抗拉強(qiáng)度逐漸降低，塑性升高。

(3)大規(guī)格TC11鈦合金棒材顯微組織對(duì)其高溫抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性具有顯著影響。越靠近心部(D/2和L/2)，高溫抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性越低，但高溫塑性變化不明顯。

參考文獻(xiàn)Ｒeferences

［1］許國(guó)棟，王鳳娥．高溫鈦合金的發(fā)展和應(yīng)用［J］．稀有金屬，2008，32(6):774－780．

［2］鄒清燕，蔡俊哲，賈東明，等．TC11棒材初生α含量與熱處理溫度的關(guān)系［J］．鈦工業(yè)進(jìn)展，2001，18(1):43－45．

［3］姜麗華，田軍強(qiáng)，張利軍，等．熱處理對(duì)TC11鈦合金室溫力學(xué)性能的影響［J］．材料開發(fā)與應(yīng)用，2017，32(4):38－43．

［4］韓棟，毛小南，張鵬省，等．雙重退火溫度對(duì)高應(yīng)力水平TC11合金組織性能的影響［J］．中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2010，20(1):577－580．

［5］吳華，楊建朝，李常亮，等．大規(guī)格TC11鈦合金棒材的熱處理［J］．金屬熱處理，2010，35(9):73－75．

［6］王媛，趙民權(quán)，謝力，等．TC11合金大規(guī)格棒材異常組織分析［J］．金屬熱處理，2015，40(12):53－55．

［7］LütjeringG，WilliamsJC．鈦［M］．雷霆，等譯．北京:冶金工業(yè)出版社，2011．

［8］賀飛，陳海峰，王玉會(huì)．顯微組織對(duì)TA15合金高溫拉伸性能的影響［J］．材料工程，2012(2):13－19．

［9］Zhou W，Chew K G． Effect of welding on impact to ughness of butt-joints in a titanium alloy［J］．Materials Science and Engineering A，2003，347(1 /2):180 － 185．

相關(guān)鏈接