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(duì)材料的強(qiáng)度和塑性要求較高，要求抗拉強(qiáng)度Rm為≥1030MPa，屈服強(qiáng)度Rp0.2≥910MPa，延伸率A≥8%，斷面收縮率Z≥23%。采用固溶+時(shí)效熱處理工藝，對(duì)熱擠壓成形的Φ180mm×25mm×L TC11鈦合金管進(jìn)行熱處理，研究了熱處理制度對(duì)材料顯微組織和力學(xué)性能的影響，探討了它們之間的影響規(guī)律。結(jié)果表明，采用固溶+時(shí)效熱處理在相同的時(shí)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(dāng)溫度達(dá)到1040℃時(shí)出現(xiàn)粗大的原始β晶粒，在原始β晶界上有連續(xù)的α相細(xì)長(zhǎng)的薄片狀α相；采用950-970℃固溶合金的力學(xué)性均能滿足材料的要求。

關(guān)鍵詞：TC11鈦合金；拉伸性能；固溶時(shí)效；熱處理

TC11鈦合金的名義化學(xué)成分為T(mén)i-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si，是一種α+β型耐熱鈦合金，鋁當(dāng)量為3.5，鉬當(dāng)量為7.3。該合金具有良好的熱加工工藝性（包括常規(guī)工藝性能和超塑性），可進(jìn)行焊接及各種方式的機(jī)加工。該合金對(duì)熱鹽應(yīng)力腐蝕存在著一定的敏感性。該合金主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤(pán)、葉片、鼓筒及炮管等，也可以制造飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。通過(guò)α-β區(qū)的熱處理形變和熱處理，該合金的最高長(zhǎng)期工作溫度為500℃。TC11鈦合金是我國(guó)航空應(yīng)用較廣的高溫鈦合金，制件的使用工作條件為，在退火狀態(tài)下用于500℃以下500h和550℃以下100h以及450℃以下1000h，在強(qiáng)化熱處理狀態(tài)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(hào)是BT9[1]。

文章研究的擠壓成形Φ180mm×25mm要求其抗拉強(qiáng)度Rm≥1030MPa，屈服強(qiáng)度Rp0.2≥910MPa，延伸率A≥8%，斷面收縮率Z≥23%，要求其強(qiáng)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(duì)熱處理工藝較為敏感，文章采用了兩相區(qū)固溶-時(shí)效對(duì)熱擠態(tài)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(guān)系，為熱擠壓成形TC11鈦合金及兵器應(yīng)用管的熱處理工藝奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

TC11鈦合金錠坯是選用一級(jí)海綿鈦、工業(yè)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(xué)成見(jiàn)表1。

采用金相法測(cè)得合金的β相變點(diǎn)為1010℃，鑄錠在 3150t油壓機(jī)上，經(jīng)過(guò)反復(fù)鍛造，尺寸為Φ292×650mm錠坯；在3150t水壓機(jī)上擠壓，擠壓溫度為950℃，保溫20分鐘，擠壓管坯規(guī)格為Φ180mm×25mm×L。利用電火花線切割機(jī)從合金管坯上切取金相及拉伸試樣。試驗(yàn)分別選擇：固溶-時(shí)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(jìn)行，HF：HNO3：H2O為1：3：10（體積比）腐蝕劑進(jìn)行腐蝕。拉伸試樣選用圓柱樣，其工作區(qū)直徑為5mm，長(zhǎng)度為90mm，拉伸試驗(yàn)在IN-ST RON 1185萬(wàn)能拉伸機(jī)上進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱處理對(duì)顯微組織的影響

通過(guò)對(duì)TC11熱擠壓管坯采用四種不同的固溶溫度后，采用530℃/6h，進(jìn)行時(shí)效處理后所得顯微組織分別如圖1所示，在相同的時(shí)效時(shí)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(chǎn)生這種形態(tài)上的變化，是由于隨著固溶溫度逐漸升高接近相變點(diǎn)過(guò)程中，合金中α相的熱力學(xué)穩(wěn)定含量逐漸減少。對(duì)比950℃和970℃兩個(gè)固溶溫度可以發(fā)現(xiàn)，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?chē)某跎料酁獒槧钚蚊玻⒀刂Ы绯?0°生長(zhǎng)。

當(dāng)合金在1040℃固溶時(shí)效處理后（圖1（c）），粗大的等軸球狀初生αp相消失，出現(xiàn)粗大的原始β晶粒在原始β晶界上有連續(xù)的α相細(xì)長(zhǎng)的薄片狀α相在原始β晶界及晶粒內(nèi)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(dāng)合金中的等狀初生相αp變粗大時(shí)，β基體與初生αp相之間的相界面減少，相界面作為缺陷對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用減弱，使得位錯(cuò)塞積減少，從而使合金的強(qiáng)度下降，伸長(zhǎng)率升高；然而，隨著二次相αs增多變得細(xì)小而彌散，兩相之間的界面增多，造成第二相強(qiáng)化效應(yīng)增強(qiáng)，從而使合金的強(qiáng)度上升，伸長(zhǎng)率下降。

2.2 拉伸性能與熱處理溫度的關(guān)系

圖2給出兩相區(qū)固溶-時(shí)效對(duì)TC11鈦合金擠壓管坯力學(xué)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(nèi)保溫6h時(shí)效，可以獲得抗拉強(qiáng)度Rm≥1030MPa，屈服強(qiáng)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(yīng)用管力學(xué)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(nèi)保溫6h時(shí)效，合金隨著固溶溫度的升高，強(qiáng)度逐漸升高，塑性略有降低，它們之間的強(qiáng)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(xué)性能均能滿足研制應(yīng)用管材力學(xué)性能。比較3種固溶溫度下的合金的強(qiáng)度和塑性值，可以看出在970℃/30min固溶，530℃/6h時(shí)效，合金強(qiáng)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(guī)律。

采用1040℃/30min，AC，+530℃/6h時(shí)效熱處理后得到的力學(xué)性能，也可以滿足航空及兵器應(yīng)用管抗拉強(qiáng)度Rm≥1030MPa，屈服強(qiáng)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(yuǎn)低于前三個(gè)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(wǎng)狀晶界α的緣故[2]。

3 結(jié)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(dāng)溫度達(dá)到1040℃時(shí)出現(xiàn)粗大的原始β晶粒，在原始β晶界上有連續(xù)的α相細(xì)長(zhǎng)的薄片狀α相。

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

參考文獻(xiàn)

[1]鄒武裝.鈦手冊(cè)[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(jí)工程師。