不同工藝鍛造的TC11鈦合金棒室溫力學性能

TC11鈦合金的名義成分為6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.25Si，屬高鋁當量馬氏體型α+β兩相鈦合金。這種合金具有良好的高溫強度、耐腐蝕性、熱穩定性及抗蠕變性能，在航空航天領域得到了廣泛應用，常制造壓氣機盤、葉片、環形件和緊固件等，是目前航空工業上應用最廣泛的鈦合金之一。隨著航空航天技術的發展和應用水平不斷提高，對這些關鍵部件用鈦合金的組織及性能提出了越來越高的要求。目前，受鈦及鈦合金物理性質及熔煉技術的限制，鍛造仍是鈦合金熱加工中使用最廣泛和最有效的方法。該方法不僅可以直接鍛壓成所要求的工件形狀，還可以優化微觀組織結構，消除鑄態疏松等缺陷，提高材料的力學性能[1-2]。

1、試驗

1.1試驗材料

試驗用的TC11鈦合金鑄錠采用真空自耗電弧爐經三次熔煉，成品錠型為準720mm。取鑄錠上、中、下三點測化學成分，結果符合國家標準[3]要求，詳見表1。

采用金相法測得該鑄錠的相變點為1000～L（L為長度），按照□360mm×720mm下料后執行表2工藝。

按照以上三種鍛造工藝，得到準240mm棒材，在不同工藝鍛造的棒材端部50mm處各取兩組試樣，規格為準240mm×30mm，每組試樣經過950℃/2h，AC+530℃/6h，AC的熱處理，最后對熱處理后的試樣進行室溫拉伸性能的檢測。金相試樣依次采用80#～1200#砂紙粗磨、細磨、機械拋光（金剛石拋光液），直至試樣的表面無目視可見劃痕后進行化學腐蝕，腐蝕劑配比為10mlHF+30mlHNO3+160mlH2O，顯微組織觀察采用OLYPUSPEM-3金相顯微鏡。室溫拉伸試樣按GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》制作加工成R7試樣,室溫拉伸性能測試采用UTM5205電子萬能試驗機。

2、結果分析與討論

2.1鍛造工藝對TC11鈦合金棒材顯微組織的影響

圖1為使用三種工藝鍛造的TC11鈦合金棒材顯微組織。對比圖1（a）、（b）可以看出，經α+β兩相區鍛造后，TC11鈦合金試樣的顯微組織為典型的等軸組織，其特征是在β轉變基體上分布著等軸α相，等軸α形貌相近，球化程度較高，尺寸大小相似，約為10μm。但等軸α含量有所不同，其中圖1（a）等軸α含量約為40%，圖1（b）中等軸α含量約為60%。由此可見，隨著鍛造溫度的升高，溶質原子擴散速度加快，α相向β相轉變增多，使得初生α相含量減少[4]。因此，可以通過控制熱變形溫度來控制TC11鈦合金中初生α相與β相轉變的比例，實際生產過程中應選擇合適的變形溫度。

對比圖1（b）、（c）可以看出，圖1（c）中α相球化程度較差，形狀多數為條狀，且尺寸粗大，約為25μm。圖1（b）經過β區和兩相區鐓拔后，由于原始鑄態組織經過β區充分破碎，形成的β相區片層組織厚度較薄，易于破碎球化，經過兩相區鐓拔變形后，原始片層組織已經基本上轉化為等軸組織，球化程度高。而圖1（c）由于未經過β相區充分變形，原始鑄態組織破碎不充分，形成的片層組織厚度較厚，雖然經過兩相區鍛造處理，但其組織表現為條狀α相，沒有完全球化，且組織粗大。因此，經過β相區充分變形后，組織更易于破碎，等軸組織球化程度更高[5]。

2.2鍛造工藝對TC11鈦合金棒材力學性能的影響

對三種鍛造工藝的TC11鈦棒材各在R/2處取2個弦向拉伸試樣測室溫拉伸性能，對2個試樣的室溫拉伸性能進行平均，結果見表3。由表3可以看出，按照工藝B鍛造的棒材抗拉強度高出50～75MPa，屈服強度高出30～55MPa，伸長率及斷面收縮率略有降低。

這是由于在室溫下，兩相鈦合金的強度隨著初生α相含量的變化而變化，初生α相含量增多，則其強度升高，反之亦然。晶粒的細化程度也會影響合金的強度，合金組織越粗大，強度越低，即強度隨晶粒的長大而下降[6]。因此，使用工藝B的棒材強度要略高一些，而塑性與其他兩種工藝相當，棒材的強度和塑性達到了較好的匹配。

3、結論

（1）可以通過控制鍛造溫度來控制TC11鈦合金中初生α相與轉變β相的比例,隨著變形溫度的升高，α相向β相轉變增多，使得初生α相含量減少。

（2）通過β相區和兩相區相結合的鐓拔變形方式，更易于原始鑄態組織的破碎，成品棒材等軸組織球化程度較高。

（3）初生α相含量越高，等軸組織球化程度越高，組織越細小，這有利于棒材的塑性和強度的較好匹配。

參考文獻：

[1]鄧瑞剛，楊冠軍，毛小南，等．鍛造工藝及后續熱處理對TC11鈦合金組織及性能的影響[J]．機械工程材料，2011，35（11）：58-62．

[2]朱紅，廖鴻．鍛造溫度對TC11鈦合金組織和性能的影響[J].熱加工工藝，2013，42（13）：128-130．

[3]GB/T3620.1-2007鈦及鈦合金牌號和化學成分[S]

[4]不同鍛造工藝對TC4鈦合金棒材顯微組織與力學性能的影響[J]．鈦工業進展，2014，31（5）：14-17．

[5]張智，李維，廖強，等，不同鍛造工藝對TC10鈦合金組織和性能的影響[J]．機械工程與自動化，2014（3）：108-110．

[6]賴運金．鈦合金片狀組織演變機制與球化動力學研究[D].西安：西北工業大學，2007．