文／曹玉如，馮璐，馮曉花，焦娟娟·西安三角防務(wù)股份有限公司

TC11 屬于α+β 雙相鈦合金，具有優(yōu)異的熱強(qiáng)性能，并具有較高的室溫強(qiáng)度和良好的熱加工工藝性能，可在500℃下長(zhǎng)期使用，適于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)盤和葉片。由于鈦合金的密度小，而且從低溫(-253℃)到中高溫(約600℃)，比強(qiáng)度高，這一特性使得鈦合金代替鋼、鋁合金、高溫合金等傳統(tǒng)材料用于航空工業(yè)等領(lǐng)域，現(xiàn)已推廣應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件。隨著鈦合金的廣泛應(yīng)用，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的要求也越來越嚴(yán)格，常規(guī)的室溫抗拉強(qiáng)度已不能滿足部分產(chǎn)品的要求。而鈦合金的合金成分、坯料原始組織、加熱參數(shù)、變形量、組織均勻性均影響著產(chǎn)品的力學(xué)性能。

為滿足室溫抗拉強(qiáng)度1060～1230MPa的要求，同時(shí)不影響產(chǎn)品的塑性指標(biāo)，本文通過不同熱加工工藝處理，以期獲得一種高于常規(guī)強(qiáng)度且塑性性能良好，具有良好綜合性能的TC11 合金鍛件，為高強(qiáng)度、良好塑性指標(biāo)TC11 合金鍛件的工業(yè)生產(chǎn)提供參考。

試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料選用湖南金天鈦業(yè)提供的按照GJB 2218A-2008 標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的φ250mm 規(guī)格鈦合金棒料進(jìn)行工藝試驗(yàn)，材料經(jīng)3 次真空自耗電弧爐熔煉，并開坯鍛造，充分破碎鑄態(tài)組織后進(jìn)行后續(xù)鍛造，爐號(hào)為311-200426，相變點(diǎn)1009℃，材料化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分及含量(wt%)

表2 試驗(yàn)材料力學(xué)性能

選用6 件φ250mm×220mm 的棒料在Tβ-(35～50)℃下加熱保溫，按照同一鍛造工藝方案成形，鐓粗至φ450mm×60mm，鍛后空冷。

隨后在每件鍛件中心取φ120mm×60mm 的芯料，按照不同的熱處理工藝進(jìn)行雙重退火，具體見表3，最后完成理化檢測(cè)。利用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試，并采用立式金相顯微鏡對(duì)顯微組織進(jìn)行觀察分析。

表3 試驗(yàn)選用的熱處理工藝

結(jié)果與分析

試樣在同一鍛造工藝，不同熱處理工藝下的顯微組織見圖1，不同熱處理工藝下的力學(xué)性能見表4。

表4 不同熱處理工藝下的力學(xué)性能

不同工藝的組織與力學(xué)性能分析

根據(jù)鈦合金的熱處理原理，α+β 雙相鈦合金在退火過程中不僅發(fā)生再結(jié)晶過程，還會(huì)發(fā)生相變，可利用亞穩(wěn)定β 相分解而產(chǎn)生強(qiáng)化效果，因此，對(duì)一次退火后的冷卻速率較為敏感。亞穩(wěn)定β 相在一次退火后被部分保留下來，在二次退火的保溫階段發(fā)生完全分解。

由圖1 熱處理制度1 ～3 可以看出等軸初生α相球化程度非常好，是由于一次退火后快速冷卻，很好地保留了初生α 相的形態(tài)。次生α 相則是在一次退火冷卻過程和二次退火保溫過程中β 相分解產(chǎn)生，呈板條狀分布，隨著二次退火溫度的升高，板條狀次生α 相長(zhǎng)寬比逐漸減小，這也與其強(qiáng)度逐漸降低相符。這種板條狀組織在拉伸變形初期就會(huì)出現(xiàn)粗滑移帶和微區(qū)變形不均勻而促使空洞提前形成和發(fā)展,從而導(dǎo)致試樣過早斷裂，造成材料塑性較差且方向單一，裂紋沿著α 相位向擴(kuò)展，路徑簡(jiǎn)單，導(dǎo)致其沖擊韌性較差。

圖1 不同熱處理工藝下的顯微組織

由圖1熱處理制度4～6可以看出既有等軸α相，又有細(xì)小的片狀α 相，30%～50%左右的等軸晶粒起到變形協(xié)調(diào)作用，因此具有與等軸組織相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和塑性水平，而50%～60%網(wǎng)籃交織的細(xì)小片狀α 相能不斷改變裂紋擴(kuò)展的方向，使得雙態(tài)組織表現(xiàn)出較高的沖擊韌性。其綜合性能較好，不僅能承受較大的變形抗力，而且還有較高的沖擊韌性。

結(jié)論

⑴TC11 鈦合金產(chǎn)品一次退火時(shí)若選用油冷方式(該冷卻方式的特點(diǎn)是高溫區(qū)冷卻快，低溫區(qū)冷卻慢)，當(dāng)一次退火的加熱溫度、保溫時(shí)間不變時(shí)，隨著二次退火溫度的升高，產(chǎn)品的強(qiáng)度隨之降低，塑性得到改善，而沖擊韌性較差。

⑵TC11 鈦合金產(chǎn)品一次退火選用風(fēng)冷方式(該冷卻方式的冷卻速率遠(yuǎn)低于油冷方式)，當(dāng)二次退火的加熱溫度、保溫時(shí)間不變時(shí)，一次退火隨著溫度的降低，產(chǎn)品的強(qiáng)度反而升高，塑性也相對(duì)較好。這是由于一次退火溫度的升高，導(dǎo)致晶粒粗化，從而強(qiáng)度下降；適當(dāng)降低一次退火溫度，能起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用。

⑶TC11 鈦合金對(duì)一次退火后的冷卻速率敏感，對(duì)于有效厚度尺寸60mm以下的產(chǎn)品油冷后強(qiáng)度基本在1200 ～1300MPa，沖擊韌性較差；風(fēng)冷后強(qiáng)度可滿足1060 ～1230MPa 的要求，塑性較好，綜合性能優(yōu)良。