供稿|裴莉, 薛虎明, 雒水會,馬元杰, 魏高艷 / PEI Li, XUE Hu-ming, LUO Shui-hui, MA Yuan-jie, WEI Gao-yan

TA11(Ti-8Al-1Mo-1V)鈦合金為耐熱鈦合金，是美國在20世紀(jì)50年代開發(fā)出來的一種近α型鈦合金，其熱穩(wěn)定溫度可達(dá)450℃。該合金不僅在高溫下具有良好的熱穩(wěn)定性，高的蠕變性能和優(yōu)良的阻尼性能，而且有較高的高溫抗拉強度。該合金有較高的α穩(wěn)定元素Al，而β穩(wěn)定元素Mo、V的含量較少，由于保持了α型合金的特點，所以有良好的高溫蠕變性能和焊接性，又具有某些α+β型合金的特性。近α型鈦合金是工作在450℃以上的高壓風(fēng)機葉片選材的重點。

蠕變，是指在一定的溫度和較小的恒定外力(拉力、壓力、扭力)作用下，材料的形變隨時間的增加而逐漸增大的現(xiàn)象。嚴(yán)格來說，蠕變可以發(fā)生在任何溫度，但是只有當(dāng)T/TM大于0.3時，蠕變現(xiàn)象才會明顯。蠕變的研究對于金屬材料的高溫使用有著重要的意義。

本文探討了熱處理制度對TA11鈦合金棒材組織及高溫蠕變性能的影響，對比分析了不同熱處理制度下的室溫力學(xué)性能和高溫(425℃)蠕變性能及組織特征，為該合金的批量化生產(chǎn)提供一定的理論基礎(chǔ)和熱處理制度參考。

實驗

實驗選用經(jīng)三次真空自耗爐熔煉的TA11鈦合金鑄錠，主要化學(xué)成分符合專用標(biāo)準(zhǔn)的要求(見表1)，相變溫度為1025～1035℃，鑄錠經(jīng)鍛造開坯至φ35 mm，并最終在φ250軋機軋制成φ21.5 mm的棒材，棒材顯微組織為不均勻β基體分布著初生α相，初生α含量在30%～40%，α相相貌為等軸狀，顯微組織與其他近α型合金相似(顯微組織如圖1所示)。

表1 TA11合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 熱處理制度

經(jīng)軋制的φ21.5 mm棒材按表2所列的不同的熱處理制度進(jìn)行固溶時效熱處理后，取樣測試其室溫拉伸和高溫蠕變性能。金相試樣從固溶時效熱處理后的棒材上切取，試樣腐蝕劑為HF、HNO3和H2O的混合液，顯微組織在金相顯微鏡(型號XJL-03)上觀察。

結(jié)果與分析

顯微組織

圖1 TA11合金棒材顯微組織(R態(tài))

在三種不同熱處理制度下，試樣的顯微組織依次如圖2(a)、(b)、(c)所示。可以看出，在(a)熱處理制度下，棒材顯微組織為等軸初生α和轉(zhuǎn)變β，并有少量的次生α出現(xiàn)，等軸初生α分布不太均勻，其含量占30%～40%，為典型的雙態(tài)組織；在(b)熱處理制度下，其組織也為雙態(tài)組織，其次生α的含量有所增加，等軸初生α分布比(a)熱處理制度中更均勻，含量沒有明顯改變；在(c)熱處理制度中，其顯微組織跟前兩種熱處理制度比較，等軸初生α和轉(zhuǎn)變β分布明顯均勻，等軸α含量變化不大，由于固溶溫度高，初生α晶粒較(a)、(b)制度稍大。相比較而言，在相同的固溶溫度下，冷卻速度越快，晶粒分布越均勻，高倍組織穩(wěn)定性越好；在相同的固溶冷卻方式下，固溶溫度越高，等軸α含量變化不大，但分布越來越均勻，其雙態(tài)組織形貌越好。

高溫蠕變和室溫力學(xué)性能

不同熱處理制度下，檢測得出的高溫蠕變性能見表3。從表3可以看出，在(a)和(b)熱處理制度中，高溫蠕變的殘余變形大于0.2%，不符合標(biāo)準(zhǔn)，室溫力學(xué)性能勉強符合標(biāo)準(zhǔn)要求；在(c)熱處理制度中，稍大的晶粒有利于高溫蠕變的殘余變形達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，室溫力學(xué)性能也符合標(biāo)準(zhǔn)。相對比而言，在相同的固溶溫度下，冷卻速度越快，高溫蠕變性能越好，但高溫蠕變的殘余變形大于0.2%，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；材料的室溫強度相對有所提高，但塑性下降。在相同的固溶冷卻方式下，固溶溫度越高，其高溫蠕變性能越好，室溫強度越高，材料的綜合性能越好。

圖2 TA11合金棒材不同熱處理制度下的顯微組織

表3 TA11合金高溫蠕變性能及室溫性能

結(jié)束語

TA11鈦合金棒材經(jīng)雙重?zé)崽幚砗?，其顯微組織為典型的雙態(tài)組織，隨著固溶溫度的升高，冷卻速度的加快，其晶粒有所長大，組織晶粒度得到了改善。

隨著固溶溫度的升高，冷卻速度越快，其高溫蠕變性能越好，室溫強度越高，但塑性有所降低。

[1] 編寫組. 稀有金屬材料加工手冊. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1984:74.

[2] 編寫組. 高速軋機線材生產(chǎn). 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2003: 1-2.

[3] 亞歷山大 B K. 鈦合金半成品加工. 稀有金屬材料與工程雜志社, 1984: 89.

[4] 周義剛. 鈦合金高溫形變強韌化機理. 金屬學(xué)報, 1999, 35(增): 1.