冷卻速率對TC11鈦合金鍛件力學性能的影響

張 哲，李進元，任馳強，李 菁

（西部鈦業有限責任公司，陜西 西安 710201）

TC11合金屬于馬氏體型的α+β型熱強鈦合金，其名義成分為Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si。它具有較高的室溫強度，在500℃以下具有優異的熱強性和良好的熱加工工藝性能，是一種重要的航空和宇航材料，廣泛應用于航空發動機的壓氣機盤、葉片和鼓筒等零件上[1，2]。

本文通過研究TC11餅材在不同冷卻介質中冷卻后的顯微組織形貌，分析了冷卻速率對TC11餅材室溫拉伸性能的影響。

1 試驗材料與方法

試驗用材料為西部鈦業有限責任公司生產的Φ180mmTC11鈦合金棒材，相變點為1005℃～1010℃。試驗用原材料在2500T壓機上制備出Φ295mm×190mm餅材，隨后進行熱處理，熱處理制度見表1；最終在餅材端部切取金相與室溫拉伸試樣進行測試。顯示金相組織所用腐蝕劑為10% HF+30% HNO3+70% H2O，腐蝕后在Stemi2000型顯微鏡進行組織觀察；室溫拉伸試樣按GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》加工成Φ5mm的標準試樣并在1185型材料試驗機上進行靜態室溫拉伸試驗。

2 試驗結果及討論

2.1 冷卻速率對顯微組織的影響

圖1為TC11鍛件970℃保溫后經不同冷卻介質冷卻后的顯微組織形貌。

從圖1可以看出，三種組織均為雙態組織，但隨冷卻速率的不同，組織細節略有差異。

隨著冷卻速率的增加，初生α相尺寸、次生α片層寬度減小。經空冷、油冷后的組織由等軸狀初生α相+短棒狀次生α相+β轉變體構成，水冷后的組織由等軸狀初生α相+β轉變體構成，且次生β轉變體內α片層長寬比明顯提升。鈦合金中β→α相轉變屬于由擴散控制的同素異構轉變，因此隨著冷卻速率的增加，冷卻過程中α相的相生長受到抑制，造成初生α相晶粒尺寸以及次生α片層寬度的下降。

圖1 不同冷卻速率下TC11鈦合金顯微組織

圖2 不同冷卻速率下TC11鈦合金鍛件室溫拉伸性能

2.2 顯微組織對室溫拉伸性能的影響

圖2給出了不同冷卻速率下TC11鍛件的室溫拉伸性能比較。

由圖2可以看出，隨著冷卻速率的增加，材料的強度增加，塑性略微下降。從顯微組織的對比可知，隨冷卻速率的增加，材料的晶粒尺寸逐漸下降，相界面增加。隨著相界面的增加，材料內部對于位錯運動的阻礙能力增加，位錯釘扎效應加劇，致使材料的強度上升、塑性下降。另一方面，隨著冷卻速率的增加，次生α片層長寬比增加。相比于短棒狀組織，片狀組織變形協調性更差，降低了材料的塑性。

3 結論

（1）經空冷、油冷后的組織由等軸狀初生α相+短棒狀次生α相+β轉變體構成，水冷后的組織由等軸狀初生α相+β轉變體構成；隨著冷卻速率的增加，初生α相尺寸、次生α片層寬度減小。

（2）隨著冷卻速率的增加，材料的室溫拉伸強度增加，塑性略微下降。