不同顯微組織類型對TC11 鈦合金餅材力學性能的影響

文／劉宇舟，段曉輝，楊亞明，張少波，歐笑笑·寶雞鈦業股份有限公司

王少陽·寶鈦集團有限公司

鈦合金是當代飛機和發動機的主要結構材料之一，在減輕飛機重量、提高飛機推重比、增加飛行距離和減少燃料費用等方面具有十分重要的意義。隨著我國航空航天事業的迅速發展，對飛行器結構材料的要求集中在輕質、高強、高韌上。TC11 鈦合金鍛件的組織和力學性能主要由鍛造變形決定，熱處理的作用不像鋼材那么大，因此，為獲得高質量鍛件，鍛造工藝選擇尤為重要，鈦合金材料的鍛造工藝有α+β 相區鍛造、β 鍛造等。

目前，TC11 鈦合金鍛件采用α+β 相區鍛造，其各項力學性能滿足航空材料使用要求，鍛后組織為雙態組織或者等軸組織。但隨著復雜高筋薄壁構件在航天飛行器中廣泛的應用，整體制造成為實現這類構件輕量化的重要途徑，也是當前制造領域最具有挑戰的工程難題之一。本次研究是基于以上目的開展，結合3D 打印技術生產復雜高筋薄壁構件的一次技術摸底，確保TC11 鈦合金基體材料有優異室溫、高溫性能的同時，保持良好的平面斷裂韌性，這是高損傷容限表征數據之一。

試驗材料和方法

試驗用合金采用真空自耗電弧爐三次熔煉得到的φ700mm 鑄錠。鑄錠的化學成分如表1 所列，測定的β 相變點為1018℃。鑄錠合金成分及雜質含量滿足GB/T 3620.1-2016 中成分要求，且頭尾成分均勻，一致性較好。

表1 TC11 鈦合金鑄錠化學成分(質量分數，%)

鑄錠經過總鍛造比大于12 的自由鍛造后，加熱溫度從β 相區開始，逐次降低加熱溫度，成品鍛造火次加熱溫度均在相變點以下，生產φ210mm 規格棒材。棒材按照標準要求，超聲波探傷和成品理化性能檢驗合格。切取長度150mm 棒段進行本次鐓餅熱加工工藝試驗，采用的三種加工方式分別為兩相區鍛造+固溶時效熱處理、兩相區鍛造+β 熱處理和準β 鍛+固溶時效處理、生產φ×45m 鐓餅。完成后按照執行標準要求，線切割切取縱向樣條，經過機加工后進行室溫拉伸性能、高溫拉伸性能、平面斷裂韌性和顯微組織檢測。采用INSTRON 68FM-100 試驗機測試室溫拉伸性能，采用ETM105D-Z 試驗機測試高溫拉伸性能，采用MTS810 試驗機測平面斷裂韌性，采用ZEISS200MAT 光學顯微鏡觀察不同熱處理制度處理后的顯微組織。

結果與分析

本試驗的TC11 鈦合金鐓餅顯微組織如圖1 所示。

圖1 TC11 鈦合金鐓餅顯微組織照片

由圖1(a)可知，兩相區鍛造+固溶時效處理的顯微組織為典型的雙態組織，晶粒尺寸基本均勻，球化效果較好，平均晶粒尺寸為18μm。α 相由兩部分組成，分別為鍛造變形后再結晶產生的初生α 相和固溶時效退火β 相分解產生的次生α 相，初生α 相為球狀，次生α 相為片層狀，片層平均厚度經測量為0.4μm 左右，α 相含量在45%左右。

由圖1(b)可知，兩相區鍛造+β 熱處理后的顯微組織為片層狀魏氏組織，在顯微組織照片上可明顯看到晶界，平均晶粒尺寸為35μm。這是由于β 熱處理是在β 轉變溫度以上加熱，在保溫階段會出現晶粒的長大，初生α 相逐漸消失，轉變為β 相，在冷卻過程中，晶界位置析出長條α 相，晶內出現片層次生α 編織。片層平均厚度經測量為0.5μm 左右，α 相含量在75%左右。

由圖1(c)可知，準β 鍛+固溶時效處理后的顯微組織為典型網籃組織，無明顯晶界，均為針狀的α 相集束，α 相集束尺寸為1.6μm，α 相含量在80%左右。

鈦合金綜合性能的進一步提升要求其最終的組織形態，相的比例，晶粒大小和分布，晶內缺陷消除程度和各組成相的匹配等均達到最優化配合，而所有上述因素都與熱加工歷史有關，對三種熱加工工藝對應的室溫拉伸性能、平面斷裂韌性和高溫拉伸性能進行檢測，力學性能數據如表2 所示。

表2 TC11 鈦合金鐓餅室溫性能

⑴對比三種加工方式下鐓餅的室溫拉伸性能，兩相區鍛造+固溶時效處理得到鐓餅的室溫強度和塑性均最高，兩相區鍛造+β 熱處理最差，準β 鍛+固溶時效處理居中。三種加工方式強度和塑性均為相同變化趨勢，同步下降或升高。三種加工方式在強度方面性能水平在同一區間，但兩相區鍛造+β 熱處理在塑性方面損失較多。這是由于加熱溫度超過其β 相變點時，合金材料元素在β 相區中擴散系數加大，β 相長大傾向很大，形成了粗大組織，這將導致“β 脆性”，所以造成塑性的惡化。

⑵對比三種加工方式平面斷裂韌性，兩相區鍛造+β 熱處理得到的鐓餅室溫強度和塑性均最高，準β 鍛+固溶時效處理次之，兩相區鍛造+固溶時效處理的最低。從顯微組織照片上進行分析，兩相區鍛造+β 熱處理同時存在魏氏組織和網籃組織特點，存在粗大晶界同時，晶內為類似網籃的片層組織，相比其他兩種組織類型，這使得裂紋擴展路徑更加曲折，裂紋傳播時需要耗費更多能量，所以使其具有優異的斷裂韌性。

三種加工方式500℃高溫拉伸性能見表3，在強度方面，兩相區鍛造+固溶時效處理得到的鐓餅最低，準β 鍛+固溶時效處理的最高，兩相區鍛造+β 熱處理居中。在塑性方面，呈現完全相反的趨勢，兩相區鍛造+固溶時效處理得到鐓餅的最高，準β 鍛+固溶時效處理的最低，兩相區鍛造+β 熱處理居中。與室溫拉伸性能數據一致，兩相區鍛造+β 熱處理在高溫塑性方面損失仍較多。

表3 TC11 鈦合金鐓餅高溫性能(500℃)

雖然三種加工方式對各項性能影響各異，但檢測結果均滿足航空發動機使用要求。三種加工方式中，本次試驗準β 鍛+固溶時效處理綜合性能最優。

結合本次試驗目的——生產復雜高筋薄壁構件的技術摸底，兩相區鍛造+β 熱處理加工方式對β 相區加熱時長尤為敏感，只能處理整體尺寸接近的鍛件，對于復雜高筋薄壁構件，單一溫度很難保證各個厚度位置熱處理效果一致。且同時對比室溫和高溫性能，兩相區鍛造+β 熱處理加工方式在塑性方面均損失較多，后續選擇時需慎重考慮。準β 鍛+固溶時效處理加工方式雖然也存在β 相區加熱，但隨之發生的變形可細化晶粒并破碎形成的晶界，所以，該加工方式對加熱時長敏感度不高，通過后續熱處理可對α 相集束尺寸進行調控，可以應用于生產復雜高筋薄壁構件。

結論

⑴采用兩相區鍛造+固溶時效處理的顯微組織為典型的雙態組織，兩相區鍛造+β 熱處理后的顯微組織為片層狀魏氏組織，準β 鍛+固溶時效處理后的顯微組織為典型網籃組織；

⑵三種加工方式對比單一性能，室溫拉伸性能方面兩相區鍛造+固溶時效處理最優，平面斷裂韌性方面兩相區鍛造+β 熱處理最優，高溫力學性能方面準β 鍛+固溶時效處理最優；

⑶兩相區鍛造+β 熱處理加工方式對β 相區加熱時長尤為敏感，且其在塑性方面均損失較多，后續選擇時需慎重考慮；

⑷三種加工方式的各項力學性能均滿足航空發動機使用要求，準β 鍛+固溶時效處理綜合性能最優，在室溫拉伸性能損失不明顯的情況下，可較為穩定地提升平面斷裂韌性和高溫性能，在復雜高筋薄壁構件生產方面應用前景廣闊。