热处理制度对航空船舶制造化工等工业用TC11钛合金高温力学性能的影响

引言

钛及钛合金材料因其自身的优异特性，如密度低、耐低温、耐高温、比强度高、耐腐蚀性佳等诸多优点成为众多学科的研究对象[1-3]。钛及钛合金材料不仅在航空航天、船舶制造、化工、兵器等工业领域广泛应用，在超导材料领域、医学材料领域也发挥着重要作用[4-6]。而 TC11 钛合金作为众多 α+β 型热强钛合金中热强性能好的合金之一，是新型航空装备上开始应用的一种新型钛合金，具有较高室温强度及良好的热加工工艺性能，主要应用于航空发动机压气机盘、叶片、鼓筒及飞机结构件等零件[7−10] 。随着航空领域技术的不断发展，航空零件的制造对钛合金的性能提出了较高的要求，其性能与材料内部组织结构密切相关，通过采用合适的热处理工艺进行内部显微组织的调控，可获得具有优异组织性能的钛合金零件[11−13]。

目前国内外学者已在热处理制度对 TC11 的相演变行为及力学性能方面有了大量研究，如王金惠等]14]通过采取正交实验法，试验出了固溶处理与时效应处理的最佳处理温度与时间；王宏权等[15]研究了 β 锻造温度及固溶温度对组织和力学性能的影响，结果表明，固溶温度的升高会导致初生 α 相含量减少，合金强度下降。但大量文献中其高温性能与组织演变之间的内在关系研究较少。本文以 TC11 钛合金为研究对象，通过改变热处理制度，研究不同热处理工艺下 TC11 钛合金显微组织结构与高温力学性能之间的内在联系，为进一步对该合金的应用及发展提供基本参数和性能指标。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验所用 TC11 合金采用粒度适度的海绵钛、海绵铝、铝钼合金、钛硅合金、二氧化钛、铝豆等。按名义配比进行预混，将混料均匀的原料压制成电极块，再将电极块按照混料顺序交叉排列进行真空焊接，经过 3 次真空熔炼得到铸锭，经开坯、锻造及棒圆工艺加工成 φ300 mm 的棒材(相变点为 1010~1015 ℃)。棒材材料的化学成分见表 1。

表 1 TC11合金化学成分（质量分数/%）

1.2 实验方法

对 TC11 合金进行热处理（热处理制度见表 2）。经热处理后的试样采用徕卡金相显微镜(LEICA DM2700M)观察微观组织形貌特征，并获取金相组织照片。通过 INSTRON 万能试验机测试合金的室温及高温(500、700、900 ℃)力学性能，拉伸速率均为 1 mm/min，每组测试 3 个平行试样取平均值。

表 2 热处理制度

2、试验结果与讨论

2.1 显微组织分析

图 1 是 TC11 钛合金不同退火工艺处理后的显微组织照片。由图可见，经热处理后，TC11 钛合金的显微组织由初生等轴 α 相、针状次生 α 相和 β 相组成。随着热处理温度的逐渐升高，初生等轴 α 相的晶粒尺寸增大，百分含量占比逐渐减小，β 相含量占比逐渐增大，并且伴随着针状次生 α 相的增多。这是因为在热处理温度接近相变点的过程中，初生等轴 α 相的热稳定性下降，随着温度的升高逐渐回溶，使得合金中的初生等轴 α 相减少，β 相含量增大，析出针状次生 α 相的驱动力增强，从而使冷却过程中的针状次生 α 相含量的升高且细小弥散，同时未溶解的初生等轴 α 相晶粒逐渐长大[16]。

2.2 热处理温度对室温力学性能的影响

表 3 是不同热处理制度下 TC11 的室温力学性能数据。可以发现，随着热处理温度的升高，抗拉伸强度(R m )和屈服强度(R0.2 p0.2 )呈下降趋势，断裂伸长率(A)和断面收缩率(Z)呈现先升高后下降的趋势。其中，热处理 A 制度和热处理 B 制度下的 TC11 合金抗拉强度和屈服强度相差不大，但是断裂伸长率与断面收缩率方面有明显差异，在热处理 B 制度下 TC11 合金会获得更高的塑性，因此在热处理 B 制度(960 ℃×2 h, AC+530 ℃×6 h, AC)下会获得良好的强塑性匹配，此时 R m 为 1 089 MPa，R0.2 p0.2 为 976 MPa，A 为 19%，Z 为 51%。

表 3 不同热处理制度下TC11的室温力学性能

2.3 热处理温度对高温力学性能的影响

图 2 是不同热处理制度下对 TC11 高温力学性能的影响，表 4 是不同热处理制度下 TC11 的高温力学性能数据。可以发现，在同一热处理制度下，随着测试温度的升高，合金 R_m 和 R_p0.2 呈下降趋势，A 和 Z 呈现升高的趋势。

表 4 不同热处理制度下TC11的高温力学性能

2.4 高温拉伸断口分析

图 3 是不同热处理制度下 TC11 的高温拉伸断口照片。可以看出 500 ℃高温拉伸断口部分显现为“台阶”状的裂痕，呈现部分韧性断裂特征，但不是很明显，其断口形貌为解理断裂，表现为韧性较差；而 900 ℃高温拉伸断口呈现出大小不等的韧窝状结构，为韧性断裂特征。

3 结论

1）随着热处理温度的逐渐升高，初生等轴 α 相的晶粒尺寸增大，百分含量占比逐渐减小，β 相含量占比逐渐增大，并且伴随有针状次生 α 相的增多。

2）在室温使用环境下，TC11 合金在热处理 B 制度(960 ℃×2 h, AC+530 ℃×6 h, AC)下会获得良好的强塑性匹配，此时抗拉伸强度为 1 089 MPa，屈服强度为 976 MPa，断裂伸长率为 19%，断面收缩率为 51%。

3）在 500 ℃高温使用环境下，热处理 A 制度(950 ℃×2 h, AC+530 ℃×6 h, AC)下合金的力学性能最优，抗拉伸强度为 771 MPa，屈服强度为 584 MPa，断裂伸长率为 19%，断面收缩率为 71%，相比于热处理 C 制度(970 ℃×2 h, AC+530 ℃×6 h, AC)下处理分别提高了 8.2%、6.3%、35%、73%。

4）在 500 ℃以上使用环境下，晶粒越细小的合金，高温强度反而降低，与室温力学性能恰恰相反，此时为获得良好的强塑性匹配，选用热处理制度 B(960 ℃×2 h, AC+530 ℃×6 h, AC)最佳。

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