不同顯微組織類型對TC11 鈦合金餅材力學(xué)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(yè)股份有限公司

王少陽·寶鈦集團(tuán)有限公司

鈦合金是當(dāng)代飛機(jī)和發(fā)動機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料之一，在減輕飛機(jī)重量、提高飛機(jī)推重比、增加飛行距離和減少燃料費(fèi)用等方面具有十分重要的意義。隨著我國航空航天事業(yè)的迅速發(fā)展，對飛行器結(jié)構(gòu)材料的要求集中在輕質(zhì)、高強(qiáng)、高韌上。TC11 鈦合金鍛件的組織和力學(xué)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(zhì)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(qū)鍛造、β 鍛造等。

目前，TC11 鈦合金鍛件采用α+β 相區(qū)鍛造，其各項(xiàng)力學(xué)性能滿足航空材料使用要求，鍛后組織為雙態(tài)組織或者等軸組織。但隨著復(fù)雜高筋薄壁構(gòu)件在航天飛行器中廣泛的應(yīng)用，整體制造成為實(shí)現(xiàn)這類構(gòu)件輕量化的重要途徑，也是當(dāng)前制造領(lǐng)域最具有挑戰(zhàn)的工程難題之一。本次研究是基于以上目的開展，結(jié)合3D 打印技術(shù)生產(chǎn)復(fù)雜高筋薄壁構(gòu)件的一次技術(shù)摸底，確保TC11 鈦合金基體材料有優(yōu)異室溫、高溫性能的同時(shí)，保持良好的平面斷裂韌性，這是高損傷容限表征數(shù)據(jù)之一。

試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)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(xué)成分如表1 所列，測定的β 相變點(diǎn)為1018℃。鑄錠合金成分及雜質(zhì)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(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

鑄錠經(jīng)過總鍛造比大于12 的自由鍛造后，加熱溫度從β 相區(qū)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(diǎn)以下，生產(chǎn)φ210mm 規(guī)格棒材。棒材按照標(biāo)準(zhǔn)要求，超聲波探傷和成品理化性能檢驗(yàn)合格。切取長度150mm 棒段進(jìn)行本次鐓餅熱加工工藝試驗(yàn)，采用的三種加工方式分別為兩相區(qū)鍛造+固溶時(shí)效熱處理、兩相區(qū)鍛造+β 熱處理和準(zhǔn)β 鍛+固溶時(shí)效處理、生產(chǎn)φ×45m 鐓餅。完成后按照執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)要求，線切割切取縱向樣條，經(jīng)過機(jī)加工后進(jìn)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(yàn)機(jī)測試室溫拉伸性能，采用ETM105D-Z 試驗(yàn)機(jī)測試高溫拉伸性能，采用MTS810 試驗(yàn)機(jī)測平面斷裂韌性，采用ZEISS200MAT 光學(xué)顯微鏡觀察不同熱處理制度處理后的顯微組織。

結(jié)果與分析

本試驗(yàn)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(qū)鍛造+固溶時(shí)效處理的顯微組織為典型的雙態(tài)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(jié)晶產(chǎn)生的初生α 相和固溶時(shí)效退火β 相分解產(chǎn)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(jīng)測量為0.4μm 左右，α 相含量在45%左右。

由圖1(b)可知，兩相區(qū)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(zhuǎn)變溫度以上加熱，在保溫階段會出現(xiàn)晶粒的長大，初生α 相逐漸消失，轉(zhuǎn)變?yōu)棣?相，在冷卻過程中，晶界位置析出長條α 相，晶內(nèi)出現(xiàn)片層次生α 編織。片層平均厚度經(jīng)測量為0.5μm 左右，α 相含量在75%左右。

由圖1(c)可知，準(zhǔn)β 鍛+固溶時(shí)效處理后的顯微組織為典型網(wǎng)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(jìn)一步提升要求其最終的組織形態(tài)，相的比例，晶粒大小和分布，晶內(nèi)缺陷消除程度和各組成相的匹配等均達(dá)到最優(yōu)化配合，而所有上述因素都與熱加工歷史有關(guān)，對三種熱加工工藝對應(yīng)的室溫拉伸性能、平面斷裂韌性和高溫拉伸性能進(jìn)行檢測，力學(xué)性能數(shù)據(jù)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(qū)鍛造+固溶時(shí)效處理得到鐓餅的室溫強(qiáng)度和塑性均最高，兩相區(qū)鍛造+β 熱處理最差，準(zhǔn)β 鍛+固溶時(shí)效處理居中。三種加工方式強(qiáng)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(qiáng)度方面性能水平在同一區(qū)間，但兩相區(qū)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(diǎn)時(shí)，合金材料元素在β 相區(qū)中擴(kuò)散系數(shù)加大，β 相長大傾向很大，形成了粗大組織，這將導(dǎo)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(qū)鍛造+β 熱處理得到的鐓餅室溫強(qiáng)度和塑性均最高，準(zhǔn)β 鍛+固溶時(shí)效處理次之，兩相區(qū)鍛造+固溶時(shí)效處理的最低。從顯微組織照片上進(jìn)行分析，兩相區(qū)鍛造+β 熱處理同時(shí)存在魏氏組織和網(wǎng)籃組織特點(diǎn)，存在粗大晶界同時(shí)，晶內(nèi)為類似網(wǎng)籃的片層組織，相比其他兩種組織類型，這使得裂紋擴(kuò)展路徑更加曲折，裂紋傳播時(shí)需要耗費(fèi)更多能量，所以使其具有優(yōu)異的斷裂韌性。

三種加工方式500℃高溫拉伸性能見表3，在強(qiáng)度方面，兩相區(qū)鍛造+固溶時(shí)效處理得到的鐓餅最低，準(zhǔn)β 鍛+固溶時(shí)效處理的最高，兩相區(qū)鍛造+β 熱處理居中。在塑性方面，呈現(xiàn)完全相反的趨勢，兩相區(qū)鍛造+固溶時(shí)效處理得到鐓餅的最高，準(zhǔn)β 鍛+固溶時(shí)效處理的最低，兩相區(qū)鍛造+β 熱處理居中。與室溫拉伸性能數(shù)據(jù)一致，兩相區(qū)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(xiàng)性能影響各異，但檢測結(jié)果均滿足航空發(fā)動機(jī)使用要求。三種加工方式中，本次試驗(yàn)準(zhǔn)β 鍛+固溶時(shí)效處理綜合性能最優(yōu)。

結(jié)合本次試驗(yàn)?zāi)康摹a(chǎn)復(fù)雜高筋薄壁構(gòu)件的技術(shù)摸底，兩相區(qū)鍛造+β 熱處理加工方式對β 相區(qū)加熱時(shí)長尤為敏感，只能處理整體尺寸接近的鍛件，對于復(fù)雜高筋薄壁構(gòu)件，單一溫度很難保證各個(gè)厚度位置熱處理效果一致。且同時(shí)對比室溫和高溫性能，兩相區(qū)鍛造+β 熱處理加工方式在塑性方面均損失較多，后續(xù)選擇時(shí)需慎重考慮。準(zhǔn)β 鍛+固溶時(shí)效處理加工方式雖然也存在β 相區(qū)加熱，但隨之發(fā)生的變形可細(xì)化晶粒并破碎形成的晶界，所以，該加工方式對加熱時(shí)長敏感度不高，通過后續(xù)熱處理可對α 相集束尺寸進(jìn)行調(diào)控，可以應(yīng)用于生產(chǎn)復(fù)雜高筋薄壁構(gòu)件。

結(jié)論

⑴采用兩相區(qū)鍛造+固溶時(shí)效處理的顯微組織為典型的雙態(tài)組織，兩相區(qū)鍛造+β 熱處理后的顯微組織為片層狀魏氏組織，準(zhǔn)β 鍛+固溶時(shí)效處理后的顯微組織為典型網(wǎng)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(qū)鍛造+固溶時(shí)效處理最優(yōu)，平面斷裂韌性方面兩相區(qū)鍛造+β 熱處理最優(yōu)，高溫力學(xué)性能方面準(zhǔn)β 鍛+固溶時(shí)效處理最優(yōu)；

⑶兩相區(qū)鍛造+β 熱處理加工方式對β 相區(qū)加熱時(shí)長尤為敏感，且其在塑性方面均損失較多，后續(xù)選擇時(shí)需慎重考慮；

⑷三種加工方式的各項(xiàng)力學(xué)性能均滿足航空發(fā)動機(jī)使用要求，準(zhǔn)β 鍛+固溶時(shí)效處理綜合性能最優(yōu)，在室溫拉伸性能損失不明顯的情況下，可較為穩(wěn)定地提升平面斷裂韌性和高溫性能，在復(fù)雜高筋薄壁構(gòu)件生產(chǎn)方面應(yīng)用前景廣闊。