TC11鈦合金管材的熱處理工藝研究

代春　朱栓平　鳳偉中　閆勇　謝林均

摘 要：航空及兵器對材料的強度和塑性要求較高，要求抗拉強度Rm為≥1030MPa，屈服強度Rp0.2≥910MPa，延伸率A≥8%，斷面收縮率Z≥23%。采用固溶+時效熱處理工藝，對熱擠壓成形的Φ180mm×25mm×L TC11鈦合金管進行熱處理，研究了熱處理制度對材料顯微組織和力學性能的影響，探討了它們之間的影響規律。結果表明，采用固溶+時效熱處理在相同的時效制度下，隨著固溶溫度的升高，合金中初生α相的含量逐漸減小晶粒尺寸逐漸增大，β相含量增加。當溫度達到1040℃時出現粗大的原始β晶粒，在原始β晶界上有連續的α相細長的薄片狀α相；采用950-970℃固溶合金的力學性均能滿足材料的要求。

關鍵詞：TC11鈦合金；拉伸性能；固溶時效；熱處理

TC11鈦合金的名義化學成分為Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si，是一種α+β型耐熱鈦合金，鋁當量為3.5，鉬當量為7.3。該合金具有良好的熱加工工藝性（包括常規工藝性能和超塑性），可進行焊接及各種方式的機加工。該合金對熱鹽應力腐蝕存在著一定的敏感性。該合金主要用于制造航空發動機的壓氣機盤、葉片、鼓筒及炮管等，也可以制造飛機的結構件。通過α-β區的熱處理形變和熱處理，該合金的最高長期工作溫度為500℃。TC11鈦合金是我國航空應用較廣的高溫鈦合金，制件的使用工作條件為，在退火狀態下用于500℃以下500h和550℃以下100h以及450℃以下1000h，在強化熱處理狀態可用于500℃以下1000h工作的零件和在700℃以下一次性工作零件。在俄羅斯相近的牌號是BT9[1]。

文章研究的擠壓成形Φ180mm×25mm要求其抗拉強度Rm≥1030MPa，屈服強度Rp0.2≥910MPa，延伸率A≥8%，斷面收縮率Z≥23%，要求其強度和塑性匹配性較高。由于TC11合金化程度高，熱擠壓變形量大，組織和性能對熱處理工藝較為敏感，文章采用了兩相區固溶-時效對熱擠態管組織和性能的影響，并分析研究組織和性能與熱處理工藝之間的關系，為熱擠壓成形TC11鈦合金及兵器應用管的熱處理工藝奠定了一定的理論基礎。

1 實驗方法

TC11鈦合金錠坯是選用一級海綿鈦、工業純鋁絲為原料等，采用三次真空自耗電弧爐熔煉成Φ700mm直徑的鑄錠，其化學成見表1。

采用金相法測得合金的β相變點為1010℃，鑄錠在 3150t油壓機上，經過反復鍛造，尺寸為Φ292×650mm錠坯；在3150t水壓機上擠壓，擠壓溫度為950℃，保溫20分鐘，擠壓管坯規格為Φ180mm×25mm×L。利用電火花線切割機從合金管坯上切取金相及拉伸試樣。試驗分別選擇：固溶-時效熱處理：950℃、960℃、970℃、1040℃/30min，AC+ 530℃/6h，AC；金相分析在OLYM PU SPM G3金相顯微鏡上進行，HF：HNO3：H2O為1：3：10（體積比）腐蝕劑進行腐蝕。拉伸試樣選用圓柱樣，其工作區直徑為5mm，長度為90mm，拉伸試驗在IN-ST RON 1185萬能拉伸機上進行。

2 結果與討論

2.1 熱處理對顯微組織的影響

通過對TC11熱擠壓管坯采用四種不同的固溶溫度后，采用530℃/6h，進行時效處理后所得顯微組織分別如圖1所示，在相同的時效時間下，隨著固溶溫度的升高，合金中初生α相的含量逐漸減小晶粒尺寸逐漸增大，β相含量增加。初生α相產生這種形態上的變化，是由于隨著固溶溫度逐漸升高接近相變點過程中，合金中α相的熱力學穩定含量逐漸減少。對比950℃和970℃兩個固溶溫度可以發現，分布在β基體相上的α相大部分溶解，晶界變得更加清晰，晶界周圍的初生α相為針狀形貌，并沿著晶界呈60°生長。

當合金在1040℃固溶時效處理后（圖1（c）），粗大的等軸球狀初生αp相消失，出現粗大的原始β晶粒在原始β晶界上有連續的α相細長的薄片狀α相在原始β晶界及晶粒內析出且部分片狀α互相平行組成集束，與晶界成一定夾角。當合金中的等狀初生相αp變粗大時，β基體與初生αp相之間的相界面減少，相界面作為缺陷對位錯運動的阻礙作用減弱，使得位錯塞積減少，從而使合金的強度下降，伸長率升高；然而，隨著二次相αs增多變得細小而彌散，兩相之間的界面增多，造成第二相強化效應增強，從而使合金的強度上升，伸長率下降。

2.2 拉伸性能與熱處理溫度的關系

圖2給出兩相區固溶-時效對TC11鈦合金擠壓管坯力學性能的影響。由圖2（a）可以看出，合金在950℃～970℃范圍固溶溫度下，并530℃內保溫6h時效，可以獲得抗拉強度Rm≥1030MPa，屈服強度Rp0.2≥910MPa，延伸率A≥8%，斷面收縮率Z≥23%，滿足TC11鈦合金航空及兵器應用管力學使用性能要求。表明TC18合金擠壓管在950℃～970℃范圍固溶溫度下，并530℃內保溫6h時效，合金隨著固溶溫度的升高，強度逐漸升高，塑性略有降低，它們之間的強度及塑性的差異主要每種熱處理制度組織里的初生α相的含量差異所致，然而所得到合金的力學性能均能滿足研制應用管材力學性能。比較3種固溶溫度下的合金的強度和塑性值，可以看出在970℃/30min固溶，530℃/6h時效，合金強度和塑性匹配性較好。從圖2（b）中也能夠看出在500℃高溫拉伸性能也存在相同的規律。

采用1040℃/30min，AC，+530℃/6h時效熱處理后得到的力學性能，也可以滿足航空及兵器應用管抗拉強度Rm≥1030MPa，屈服強度Rp0.2≥910MPa，延伸率A≥8%要求，性能的余量不大。但是斷面收縮率不能滿足Z≥23%要求，主要原因是在該溫度下熱處理形成的組織已是魏氏組織，尤其是斷面收縮率遠低于前三個熱處理制度，這是由于其原始β晶粒比其它熱處理制度粗大、而且存在網狀晶界α的緣故[2]。

3 結論

（1）隨著固溶溫度的升高，合金中初生α相的含量逐漸減小晶粒尺寸逐漸增大，β相含量增加。當溫度達到1040℃時出現粗大的原始β晶粒，在原始β晶界上有連續的α相細長的薄片狀α相。

（2）采用950-970℃/30min固溶/AC+合金530℃/6h/AC的力學性均能滿足材料的要求。

參考文獻

[1]鄒武裝.鈦手冊[Z].2012，ISBN978-7-122-14637-3.

[2]張寶昌.有色金屬及其熱處理[Z].1993，ISBN978-7-8612-0452-8.

*通信作者：代春，男，高級工程師。