熱處理工藝對(duì)TC11鈦合金鍛坯組織性能及探傷水平的影響

文／宗師，劉保亮，馮璐，宋阿敏·西安三角防務(wù)股份有限公司

TC11 鈦合金相當(dāng)于前蘇聯(lián)的BT9 鈦合金，名義成分為6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.25Si，屬高鋁當(dāng)量馬氏體型α+β 兩相鈦合金。該合金具有優(yōu)異的熱強(qiáng)性能，主要用于制作工作溫度在500℃以下的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤(pán)、葉片和葉輪等關(guān)鍵零部件，是目前航空工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的鈦合金之一。

由于TC11 鈦合金發(fā)動(dòng)機(jī)盤(pán)類鍛件標(biāo)準(zhǔn)要求探傷級(jí)別高(噪聲：φ0.8mm 平底孔不超過(guò)20%)，對(duì)鍛件組織均勻性提出了較高的要求。對(duì)于鈦合金材料的探傷，原材料的冶金質(zhì)量、探傷方法、組織均勻性和方向性是影響探傷結(jié)果的主要因素，而組織的不均勻性是影響鈦合金超聲波探傷雜波水平的最主要因素。本文利用熱處理工藝影響組織，而組織又與性能、探傷結(jié)果密切相關(guān)這一原理，通過(guò)選用不同的熱處理工藝參數(shù)，研究了TC11 鈦合金鍛坯的高倍組織、室溫力學(xué)性能、探傷結(jié)果的變化規(guī)律，進(jìn)而得到既能滿足探傷要求，又能使力學(xué)性能達(dá)到最佳的熱處理工藝參數(shù)。

試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用西部超導(dǎo)材料科技有限公司生產(chǎn)的φ230mm 規(guī)格TC11 鈦合金棒材，熔煉方式為真空自耗電弧爐三次熔煉。原材料經(jīng)過(guò)入廠復(fù)驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)滿足GJB 2218A-2018 標(biāo)準(zhǔn)要求。

用鋸床按工藝要求長(zhǎng)度對(duì)棒材進(jìn)行下料，隨后在高溫電爐中相變點(diǎn)β/(α+β)下30 ～40℃范圍內(nèi)加熱并保溫一定時(shí)間后，按鍛造工藝要求出爐鍛造。

試驗(yàn)方法

TC11 鈦合金鍛坯鍛造完成后，將4 件鍛坯按四種不同熱處理工藝進(jìn)行處理。4 種熱處理工藝如下：

⑴鍛坯A：一次退火950℃，保溫2h，空冷，二次退火530℃，保溫6h，空冷。

⑵鍛坯B：一次退火960℃，保溫2h，空冷，二次退火530℃，保溫6h，空冷。

⑶鍛坯C：一次退火970℃，保溫2h，空冷，二次退火530℃，保溫6h，空冷。

⑷鍛坯D：一次退火980℃，保溫2h，空冷，二次退火530℃，保溫6h，空冷。

4 件TC11 鈦合金鍛坯經(jīng)熱處理后，分別進(jìn)行了水浸探傷、高倍組織檢查、室溫拉伸性能等測(cè)試。水浸探傷在以色列LS-200LP 型全自動(dòng)超聲波C 掃描設(shè)備上進(jìn)行，高倍組織檢查在OLYMPUS/GX53 型光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行，高倍腐蝕劑采用配比為V(HF):V(HNO3):V(H2O)=5:12:83 的Kroll 試劑；室溫力學(xué)性能測(cè)試在美國(guó)INSTRON 5985 型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

試驗(yàn)結(jié)果及分析

熱處理工藝對(duì)TC11 鈦合金鍛坯高倍組織的影響

分別對(duì)四種熱處理工藝所得到的TC11 鈦合金鍛坯，在其對(duì)應(yīng)的中心、R/2、邊緣各點(diǎn)取高倍試樣，得到各位置的高倍組織如表1 所示。

從表1 可以看出，TC11 鈦合金鍛坯在相變點(diǎn)β/(α+β)下進(jìn)行雙重退火處理后，高倍組織由不同含量的初生α 相和轉(zhuǎn)變?chǔ)?相組成，其中初生α 相呈球形、橄欖形、長(zhǎng)條形、橢圓形，是典型的混合組織。隨著一次退火溫度的升高，高倍組織中初生α 相的含量呈降低趨勢(shì)，而轉(zhuǎn)變?chǔ)?相含量呈增加趨勢(shì)。也就是說(shuō)合金在相變點(diǎn)以下加熱時(shí)，隨著加熱溫度的升高，組織結(jié)構(gòu)中α 相逐步向β 相轉(zhuǎn)變，溫度越高，轉(zhuǎn)變速度越快，即越接近相變點(diǎn)，相對(duì)溫度越敏感。

熱處理工藝對(duì)TC11 鈦合金鍛坯探傷結(jié)果的影響

分別對(duì)四種熱處理工藝所得到的TC11 鈦合金鍛坯進(jìn)行水浸探傷，得到的探傷結(jié)果如表2 所示。

從表1 可以看出，TC11 鈦合金鍛坯熱處理后的探傷結(jié)果，隨著一次退火溫度的升高，噪聲水平逐漸升高，底波損失無(wú)明顯變化。且當(dāng)一次退火溫度為980℃時(shí)，噪聲水平不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。這是因?yàn)殡S著一次退火溫度的升高，造成了鍛坯內(nèi)部組織均勻性和方向性的惡化，進(jìn)而導(dǎo)致了噪聲水平逐漸升高甚至超標(biāo)的現(xiàn)象。

熱處理工藝對(duì)TC11 鈦合金鍛坯室溫力學(xué)性能的影響

TC11 鈦合金鍛件經(jīng)不同制度熱處理后室溫力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

從表3 可以看出，TC11 鈦合金鍛坯在相變點(diǎn)(β/α+β)下進(jìn)行雙重退火處理時(shí)，在二次退火溫度不變的前提下，隨著一次退火溫度的升高，TC11 合金鍛坯的室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，但室溫塑性隨一次退火溫度升高呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)閷?duì)于α + β 型雙相鈦合金來(lái)講，合金中的轉(zhuǎn)變?chǔ)?相主要對(duì)強(qiáng)度起作用，而初生α 相主要對(duì)塑性起作用，也就是說(shuō)合金在雙重退火處理后初生α 相越多(轉(zhuǎn)變?chǔ)?相越少)合金塑性越好、強(qiáng)度越低；反之初生α相越少(轉(zhuǎn)變?chǔ)孪嘣蕉?合金塑性越差、強(qiáng)度越高。鈦合金在(β/α+β)轉(zhuǎn)變溫度以下一次退火時(shí)，隨著加熱溫度的升高，合金中的α 相逐漸向β 相轉(zhuǎn)變，即α 相數(shù)量減少、β 相數(shù)量增多，所以在隨后的二次退火后，就表現(xiàn)出一次退火溫度越高，強(qiáng)度越高，塑性越差；一次退火溫度越低，強(qiáng)度越低，塑性越好。

表1 TC11 鈦合金鍛坯不同熱處理工藝下的高倍組織

表2 TC11 鈦合金鍛坯不同熱處理工藝下的探傷結(jié)果

表3 TC11 鈦合金鍛坯不同熱處理工藝下的室溫力學(xué)性能

結(jié)束語(yǔ)

⑴相同鍛造工藝生產(chǎn)的四件TC11 鈦合金鍛坯，分別采用四種不同熱處理工藝進(jìn)行雙重退火處理，隨著一次退火溫度的升高，鍛坯高倍組織中初生α 相含量呈下降趨勢(shì)、轉(zhuǎn)變?chǔ)?相含量呈上升趨勢(shì)。

⑵TC11 鈦合金鍛坯不同熱處理工藝雙重退火后，隨著一次退火溫度的升高，其水浸探傷后的噪聲水平逐漸升高，底波損失無(wú)明顯變化。

⑶TC11 鈦合金鍛坯不同熱處理工藝雙重退火后，隨著一次退火溫度的升高，其室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，室溫塑性呈下降趨勢(shì)。

⑷熱處理后的TC11 鈦合金鍛坯B 高倍組織、探傷水平、力學(xué)性能均滿足相關(guān)技術(shù)條件要求，且裕度較大、綜合性能最優(yōu)。