不同工艺锻造的TC11钛合金棒室温力学性能

TC11钛合金的名义成分为6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.25Si，属高铝当量马氏体型α+β两相钛合金。这种合金具有良好的高温强度、耐腐蚀性、热稳定性及抗蠕变性能，在航空航天领域得到了广泛应用，常制造压气机盘、叶片、环形件和紧固件等，是目前航空工业上应用最广泛的钛合金之一。随着航空航天技术的发展和应用水平不断提高，对这些关键部件用钛合金的组织及性能提出了越来越高的要求。目前，受钛及钛合金物理性质及熔炼技术的限制，锻造仍是钛合金热加工中使用最广泛和最有效的方法。该方法不仅可以直接锻压成所要求的工件形状，还可以优化微观组织结构，消除铸态疏松等缺陷，提高材料的力学性能[1-2]。

1、试验

1.1试验材料

试验用的TC11钛合金铸锭采用真空自耗电弧炉经三次熔炼，成品锭型为准720mm。取铸锭上、中、下三点测化学成分，结果符合国家标准[3]要求，详见表1。

采用金相法测得该铸锭的相变点为1000～L（L为长度），按照□360mm×720mm下料后执行表2工艺。

按照以上三种锻造工艺，得到准240mm棒材，在不同工艺锻造的棒材端部50mm处各取两组试样，规格为准240mm×30mm，每组试样经过950℃/2h，AC+530℃/6h，AC的热处理，最后对热处理后的试样进行室温拉伸性能的检测。金相试样依次采用80#～1200#砂纸粗磨、细磨、机械抛光（金刚石抛光液），直至试样的表面无目视可见划痕后进行化学腐蚀，腐蚀剂配比为10mlHF+30mlHNO3+160mlH2O，显微组织观察采用OLYPUSPEM-3金相显微镜。室温拉伸试样按GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》制作加工成R7试样,室温拉伸性能测试采用UTM5205电子万能试验机。

2、结果分析与讨论

2.1锻造工艺对TC11钛合金棒材显微组织的影响

图1为使用三种工艺锻造的TC11钛合金棒材显微组织。对比图1（a）、（b）可以看出，经α+β两相区锻造后，TC11钛合金试样的显微组织为典型的等轴组织，其特征是在β转变基体上分布着等轴α相，等轴α形貌相近，球化程度较高，尺寸大小相似，约为10μm。但等轴α含量有所不同，其中图1（a）等轴α含量约为40%，图1（b）中等轴α含量约为60%。由此可见，随着锻造温度的升高，溶质原子扩散速度加快，α相向β相转变增多，使得初生α相含量减少[4]。因此，可以通过控制热变形温度来控制TC11钛合金中初生α相与β相转变的比例，实际生产过程中应选择合适的变形温度。

对比图1（b）、（c）可以看出，图1（c）中α相球化程度较差，形状多数为条状，且尺寸粗大，约为25μm。图1（b）经过β区和两相区镦拔后，由于原始铸态组织经过β区充分破碎，形成的β相区片层组织厚度较薄，易于破碎球化，经过两相区镦拔变形后，原始片层组织已经基本上转化为等轴组织，球化程度高。而图1（c）由于未经过β相区充分变形，原始铸态组织破碎不充分，形成的片层组织厚度较厚，虽然经过两相区锻造处理，但其组织表现为条状α相，没有完全球化，且组织粗大。因此，经过β相区充分变形后，组织更易于破碎，等轴组织球化程度更高[5]。

2.2锻造工艺对TC11钛合金棒材力学性能的影响

对三种锻造工艺的TC11钛棒材各在R/2处取2个弦向拉伸试样测室温拉伸性能，对2个试样的室温拉伸性能进行平均，结果见表3。由表3可以看出，按照工艺B锻造的棒材抗拉强度高出50～75MPa，屈服强度高出30～55MPa，伸长率及断面收缩率略有降低。

这是由于在室温下，两相钛合金的强度随着初生α相含量的变化而变化，初生α相含量增多，则其强度升高，反之亦然。晶粒的细化程度也会影响合金的强度，合金组织越粗大，强度越低，即强度随晶粒的长大而下降[6]。因此，使用工艺B的棒材强度要略高一些，而塑性与其他两种工艺相当，棒材的强度和塑性达到了较好的匹配。

3、结论

（1）可以通过控制锻造温度来控制TC11钛合金中初生α相与转变β相的比例,随着变形温度的升高，α相向β相转变增多，使得初生α相含量减少。

（2）通过β相区和两相区相结合的镦拔变形方式，更易于原始铸态组织的破碎，成品棒材等轴组织球化程度较高。

（3）初生α相含量越高，等轴组织球化程度越高，组织越细小，这有利于棒材的塑性和强度的较好匹配。

参考文献：

[1]邓瑞刚，杨冠军，毛小南，等．锻造工艺及后续热处理对TC11钛合金组织及性能的影响[J]．机械工程材料，2011，35（11）：58-62．

[2]朱红，廖鸿．锻造温度对TC11钛合金组织和性能的影响[J].热加工工艺，2013，42（13）：128-130．

[3]GB/T3620.1-2007钛及钛合金牌号和化学成分[S]

[4]不同锻造工艺对TC4钛合金棒材显微组织与力学性能的影响[J]．钛工业进展，2014，31（5）：14-17．

[5]张智，李维，廖强，等，不同锻造工艺对TC10钛合金组织和性能的影响[J]．机械工程与自动化，2014（3）：108-110．

[6]赖运金．钛合金片状组织演变机制与球化动力学研究[D].西安：西北工业大学，2007．