TC11 鈦合金鍛造工藝與熱處理工藝研究

文／曹玉如，馮璐，馮曉花，焦娟娟·西安三角防務股份有限公司

TC11 屬于α+β 雙相鈦合金，具有優異的熱強性能，并具有較高的室溫強度和良好的熱加工工藝性能，可在500℃下長期使用，適于制造航空發動機機盤和葉片。由于鈦合金的密度小，而且從低溫(-253℃)到中高溫(約600℃)，比強度高，這一特性使得鈦合金代替鋼、鋁合金、高溫合金等傳統材料用于航空工業等領域，現已推廣應用于火箭發動機的轉動部件。隨著鈦合金的廣泛應用，其各項技術指標的要求也越來越嚴格，常規的室溫抗拉強度已不能滿足部分產品的要求。而鈦合金的合金成分、坯料原始組織、加熱參數、變形量、組織均勻性均影響著產品的力學性能。

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

試驗材料及方法

試驗材料選用湖南金天鈦業提供的按照GJB 2218A-2008 標準生產的φ250mm 規格鈦合金棒料進行工藝試驗，材料經3 次真空自耗電弧爐熔煉，并開坯鍛造，充分破碎鑄態組織后進行后續鍛造，爐號為311-200426，相變點1009℃，材料化學成分見表1，力學性能見表2。

表1 試驗材料化學成分及含量(wt%)

表2 試驗材料力學性能

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行雙重退火，具體見表3，最后完成理化檢測。利用萬能拉伸試驗機進行性能測試，并采用立式金相顯微鏡對顯微組織進行觀察分析。

表3 試驗選用的熱處理工藝

結果與分析

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性能見表4。

表4 不同熱處理工藝下的力學性能

不同工藝的組織與力學性能分析

根據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生再結晶過程，還會發生相變，可利用亞穩定β 相分解而產生強化效果，因此，對一次退火后的冷卻速率較為敏感。亞穩定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。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 相長寬比逐漸減小，這也與其強度逐漸降低相符。這種板條狀組織在拉伸變形初期就會出現粗滑移帶和微區變形不均勻而促使空洞提前形成和發展,從而導致試樣過早斷裂，造成材料塑性較差且方向單一，裂紋沿著α 相位向擴展，路徑簡單，導致其沖擊韌性較差。

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，又有細小的片狀α 相，30%～50%左右的等軸晶粒起到變形協調作用，因此具有與等軸組織相當的強度和塑性水平，而50%～60%網籃交織的細小片狀α 相能不斷改變裂紋擴展的方向，使得雙態組織表現出較高的沖擊韌性。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。

結論

⑴TC11 鈦合金產品一次退火時若選用油冷方式(該冷卻方式的特點是高溫區冷卻快，低溫區冷卻慢)，當一次退火的加熱溫度、保溫時間不變時，隨著二次退火溫度的升高，產品的強度隨之降低，塑性得到改善，而沖擊韌性較差。

⑵TC11 鈦合金產品一次退火選用風冷方式(該冷卻方式的冷卻速率遠低于油冷方式)，當二次退火的加熱溫度、保溫時間不變時，一次退火隨著溫度的降低，產品的強度反而升高，塑性也相對較好。這是由于一次退火溫度的升高，導致晶粒粗化，從而強度下降；適當降低一次退火溫度，能起到細晶強化的作用。

⑶TC11 鈦合金對一次退火后的冷卻速率敏感，對于有效厚度尺寸60mm以下的產品油冷后強度基本在1200 ～1300MPa，沖擊韌性較差；風冷后強度可滿足1060 ～1230MPa 的要求，塑性較好，綜合性能優良。