航空用超大规格TC18钛合金棒材的制备及组织性能研究

钛及钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好等优良性能，在航空航天、汽车、生物医疗等领域展现出极强的发展潜力 [1-5] 。TC18 钛合金是一种典型的高强高韧钛合金，名义成分为 Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，大量用作飞机起落架、飞机承重梁等大型承力结构件 [6-14] 。

随着航空工业的发展，新型飞机对承力结构件的要求逐渐向整体化、大型化方向发展，对原材料的尺寸要求也进一步提高 [15-17] 。颜孟奇等人 [18] 探究了热处理参数对 φ 300 mm TC18 钛合金棒材组织的影响；乔恩利等人 [19] 对比了3种不同锻造工艺对 φ 400 mm TC18钛合金棒材组织与性能的影响，进而得出最优锻造工艺；顾忠明等人 [20] 研究了 φ 400 mm TC18 钛合金棒材组织与力学性能的对应关系。但对于更大规格 TC18 钛合金棒材的研究鲜有报道，这是由于超大规格棒材的组织均匀性与力学性能稳定性难以控制。

为此，开展了 φ 500 mm TC18钛合金棒材的研制工作，以期获得成分、组织、性能满足航空标准要求的超大规格 TC18 钛合金棒材，为高强高韧钛合金大型化发展奠定技术基础。

1 、实 验

选用高纯海绵钛和 MoAl、VAl、CrAl、FeAl 中间合金，经 3 次真空自耗电弧熔炼制备规格为 φ 720 mm的 TC18 钛合金铸锭。铸锭质量为 5250 kg，通过金相法测得铸锭相变点为 870~875 ℃。在铸锭头部、中部、尾部 3 个部位取样，进行化学成分分析。

铸锭经 80 MN 快锻机在相变点以上开坯锻造，对粗大的铸态组织进行充分破碎，通过多道次的镦拔锻造进一步细化晶粒，最终在α＋β相区锻造成 φ 500 mm TC18钛合金棒材。TC18 钛合金棒材单根质量超过 2500 kg，实物如图 1 所示。

图 1 超大规格 TC18 钛合金棒材照片

Fig.1 Photo of oversized TC18 titanium alloy bar

为了对棒材的组织均匀性进行评价，在棒材的头、尾区域各切取一个 35 mm 厚试样片进行热处理，热处理制度为 835 ℃保温 2 h，炉冷到 750 ℃，保温 2 h 后空冷，后续在 615 ℃时效 6 h 后空冷。对热处理后的试样片进行低倍组织观察，在试样片的边部、R/2、心部切取15 mm×15 mm×10 mm 的金相试样，使用 240#、400#、1000#、2000#砂纸依次打磨，抛光后使用配比为 3%HF＋7%HNO 3 ＋90%H 2 O（体积比）的腐蚀液进行蚀刻。采用Olympus GX71 光学显微镜（OM）、JSM-IT700HR 扫描电子显微镜（SEM）观察棒材不同部位的微观组织。

为了对 TC18 钛合金棒材力学性能的稳定性进行评价，在热处理后试样片 R/2 处取样，根据 GB/T 228.1—2021 标准加工成 φ 5 mm拉伸试样，采用 ZWICK万能材料拉伸试验机进行室温拉伸性能测试；根据 GB/T 229―2007 标准加工成 10 mm×10 mm×55 mm 冲击试样，采用 ZWICK 300J 摆锤冲击试验机进行室温冲击性能测试；根据 GB/T 4161—2007 标准加工成 62.5 mm×60 mm×25 mm 冲击试样，采用 MTS Landmark 电液伺服疲劳试验机进行室温断裂韧性测试。为确保实验数据准确、可信，每组拉伸试验取 3 个平行试样进行测试。

2、 结果与分析

2.1 铸锭成分均匀性

表 1 为 TC18 钛合金铸锭头部、中部、尾部 3 个部位的化学成分分析结果。由表 1 可以看出，TC18 钛合金铸锭的主元素 Al、Mo、V、Cr 和 Fe 的极差分别为 0.03%、0.07%、0.04%、0.02%，杂质元素 O 的极差仅有 0.006%，表明铸锭整体成分均匀性良好。

2.2 棒材组织

2.2.1 棒材宏观组织

图 2 为 TC18钛合金棒材低倍组织照片。由图 2 可见，棒材头、尾低倍组织无明显分层、裂纹、气孔、偏析、金属和非金属夹杂及其他肉眼可见的冶金缺陷；无肉眼可见的清晰晶粒，低倍组织均匀模糊。

2.2.2 棒材显微组织

图 3 为 TC18 钛合金棒材不同部位的金相照片，图中白色的物相为 α-Ti 相，黑色的物相为 β-Ti 相。由图 3可知，TC18 钛合金棒材组织均由 α 相和 β 相组成，α 相在 β 相中均匀分布，无明显分层、团聚现象。对比棒材头部和尾部不同部位的微观组织，无明显区别，说明棒材整体的组织均匀性良好。

图 2 TC18 钛合金棒材低倍组织照片

Fig.2 Macrostructures of TC18 titanium alloy bar: (a) head; (b) tail

图 3 TC18 钛合金棒材不同部位的金相照片

Fig.3 OM images of TC18 titanium alloy bar at different positions: (a) head-edge; (b) head-R/2;(c) head-center; (d) tail-edge; (e) tail-R/2; (f) tail-center

图4为TC18钛合金棒材头部、尾部不同部位的SEM照片。由图 4 可知，TC18 钛合金棒材的微观组织主要由近等轴的初生 α 相、细针状的次生 α 相以及分布在 α相之间的 β 基体组成，组织分布均匀，无明显团聚、分层现象。

图 4 TC18 钛合金棒材不同部位的 SEM 照片

Fig.4 SEM images of TC18 titanium alloy bar at different positions: (a) head-edge; (b) head-R/2;(c) head-center; (d) tail-edge; (e) tail-R/2; (f) tail-center

为对比 TC18 钛合金棒材不同部位的微观组织，使用 Image J 软件对不同部位初生 α 相的平均晶粒尺寸进行统计，结果如图 5 所示。由图 5 可知，TC18 钛合金棒材头与尾的边部、R/2 和心部初生 α 相的晶粒尺寸较为接近，最大为 4.12 µm，最小为 3.94 µm，极差仅为0.18 µm，说明棒材整体的组织均匀性良好。

图 5 TC18 钛合金棒材不同部位的初生 α 相晶粒尺寸

Fig.5 Grain size of primary α phase at different positions of TC18 titanium alloy bar

通过 Image J 软件对棒材不同部位初生 α 相、次生 α和 β 相的体积分数进行统计，结果如图 6 所示。由图 6可以看出，TC18 钛合金棒材头部和尾部的物相分布接近，极差不超过 3%。对比边部、R/2 和心部的物相体积分数，初生 α 相、次生 α 相和 β 相的含量相近，无明显区别，棒材整体的组织均匀性良好。

图 6 TC18 钛合金棒材不同部位的物相体积分数

Fig.6 Volume fraction of different phases of TC18 titanium alloy bar at different positions

2.3 棒材力学性能

对 TC18 钛合金棒材头部与尾部的边部、R/2、心部区域的室温拉伸性能、冲击性能以及断裂韧性进行测试，对比不同部位的力学性能，进而对棒材整体的性能稳定性进行分析。图7为TC18钛合金棒材的室温拉伸测试结果。

由图 7 可见，棒材不同部位的室温拉伸性能较为接近，抗拉强度最大为 1115 MPa，最小为 1104 MPa，极差为11 MPa；屈服强度最大为 1057 MPa，最小为 1047 MPa，极差为 10 MPa；延伸率最大为 13%，最小为 11%，极差为 2%；断面收缩率最大为 32%，最小为 26%，极差为 6%，棒材整体的性能稳定性较好。

图 7 TC18 钛合金棒材不同部位的室温拉伸性能

Fig.7 Room temperature tensile properties of TC18 titanium alloy bar at different positions: (a) tensile strength; (b) tensile plasticity

图 8 为 TC18 钛合金棒材不同部位的冲击韧性和断裂韧性测试结果。由图 8 可知，棒材头部和尾部的不同区域韧性测试结果相近，冲击吸收能量（KU 2 ）的范围为 35.7~40.9 J/cm²，头部与尾部偏差仅为 5.2 J/cm²，断裂韧性值（K IC ）的范围为 63.3~67.5 MPa·m 1/2 ，头部与尾部偏差仅为 4.2 MPa·m ^1/2 ，棒材整体的性能稳定性较好。

图 8 TC18 钛合金棒材不同部位的冲击性能和断裂韧性

Fig.8 Impact and fracture toughness of TC18 titanium alloy bar at different positions 

3 、结 论

(1) TC18 钛合金铸锭不同部位的成分均匀性良好，各主元素极差控制在 0.1%以内。

(2) φ 500 mm 超大规格 TC18 钛合金棒材头、尾的低倍组织均匀一致，不同部位的微观组织无明显差异，说明棒材整体组织均匀性良好。

(3) φ 500 mm 超大规格 TC18 钛合金棒材不同部位的力学性能接近，无明显差异，性能稳定性较好。

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