TC4与TC11钛合金作为航空航天领域的关键结构材料，其大规格棒材的质量直接决定高端装备的可靠性。TC4钛合金（Ti-6Al-4V）因优异的综合力学性能，广泛用于飞机结构件与发动机风扇等部件；TC11钛合金（Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si）则以高温稳定性优势，成为发动机压气机盘、叶片等高温部件的核心材料。两者的大规格棒材在锻造过程中，易因工艺参数波动导致组织性能不均或缺陷产生，严重影响产品质量。
本文整合两篇代表性研究成果，系统分析TC4与TC11钛合金棒材的锻造工艺、组织性能分布规律及典型缺陷成因。通过解析TC4棒材6火次锻造后的组织梯度与性能差异，以及TC11棒材低倍白亮块缺陷的形成机制，揭示工艺-组织-性能的内在关联，提出针对性质量控制策略，为航空航天用大规格钛合金棒材的稳定生产提供技术支撑。
一、钛合金棒材的材料特性与应用背景
1.1材料核心性能与技术要求
TC4与TC11钛合金同属α+β型钛合金，但因成分差异表现出不同的性能特点。TC4钛合金以Al（5.5%-6.75%）和V（3.5%-4.5%）为主要合金元素，β相变点为990-995℃，室温抗拉强度可达895-930MPa，延伸率≥10%，具有良好的塑性与焊接性，适合制造承受中等载荷的结构件。某特殊用途的φ410mmTC4棒材，要求低倍组织达标（中部2-3级）、力学性能均匀（强度波动≤5%），用于大型飞机起落架承力构件。
TC11钛合金则添加Mo（2.8%-3.8%）、Zr（0.8%-2.0%）和Si（0.2%-0.35%），β相变点为980-1020℃，长期工作温度可达500℃，室温抗拉强度≥900MPa，高温强度保持率≥85%，主要用于发动机压气机盘等高温部件。其φ230mm锻棒要求无内部缺陷，超声波探伤达标（≥φ1.2mm-9dB），低倍组织无白亮块等异常。
1.2航空航天领域的应用需求
在航空领域，大规格TC4棒材用于制造飞机机身框梁、机翼连接件等整体锻件，单重可达1.5t以上，要求组织均匀性（边部与心部性能差异≤10%）以避免服役过程中局部失效。某型军机的起落架锻件采用φ410mmTC4棒材，经锻造后需满足抗拉强度≥900MPa、冲击韧性≥35J/cm²。
TC11棒材则用于发动机压气机盘锻坯，其工作环境涉及高温（400-500℃）与交变载荷，对材料的组织稳定性要求严苛。某涡扇发动机的高压压气机盘，采用φ230mmTC11棒材锻造，要求低倍组织无偏析、晶粒度均匀（≤5级），以保证10⁴次循环的疲劳寿命。
二、钛合金棒材锻造工艺与组织演化规律
2.1TC4钛合金棒材的多火次锻造工艺
2.1.1锻造工艺设计与参数优化
针对φ410mmTC4棒材的制备，采用6火次锻造工艺实现组织细化与性能调控，具体流程如下：
第1火次（开坯）：铸锭加热至1150±10℃（β相区），保温300min，进行镦拔变形，破碎铸造晶粒，变形量控制在40%-50%；
第2-5火次（反复镦拔）：加热温度采用“高-低-高”模式（1050±10℃至β相变点以下10-40℃），通过交替镦粗与拔长，促进组织均匀化，每火次变形量≥30%；
第6火次（滚圆与精整）：在β相变点以下20-50℃（α+β相区）加热，滚圆至φ420mm，预留5mm机加工余量，控制终锻温度≥800℃以避免冷脆。
该工艺通过多火次变形累积，使铸锭原始粗大晶粒（≥100μm）细化至20-30μm，满足后续加工要求。
2.1.2组织分布规律与影响因素
锻造后TC4棒材的组织呈现显著的空间梯度：
沿长度方向：端部（头部、尾部）低倍组织较差（4-5级），中部为2-3级。显微组织中，端部以拉长α相和β转组织（次生α+残留β）为主，α相含量约35%-40%；中部α相含量增至50%-55%，等轴化明显，β转组织减少，晶粒尺寸从端部的30-40μm降至中部的15-20μm。
同一截面内：边部至心部β转组织减少，片层α相厚度从5-8μm增至10-12μm并趋于等轴化。中部截面的这种变化更显著，因边部接触砧子温降快（冷却速度10-15℃/s），心部温降慢（3-5℃/s），导致α相生长条件差异。
案例：某批次φ410mmTC4棒材中部L/2截面边部（0R）的α相以片层为主，心部（R）则为等轴α相，两者强度差异达40MPa，验证了冷却速度对组织的影响。
2.2TC11钛合金棒材的锻造工艺特点
TC11棒材的锻造采用“β相区开坯+α+β相区精锻”的两阶段工艺：
β相区开坯：铸锭加热至1050-1100℃（β相区），进行两镦两拔，变形量≥60%，破碎铸造组织；
α+β相区精锻：加热至950-980℃（β相变点以下20-50℃），经1次镦粗和多火次拔长至φ230mm，终锻温度控制在850-900℃，确保后续热处理的组织稳定性。
与TC4不同，TC11因含Mo、Zr等元素，需严格控制保温时间（每火次≤300min）以避免合金元素偏聚，为后续减少白亮块缺陷奠定基础。
三、钛合金棒材的力学性能分布与影响机制
3.1TC4钛合金棒材的性能梯度
3.1.1强度与塑性的空间差异
锻造后TC4棒材的力学性能呈现显著梯度：
沿长度方向：端部抗拉强度（Rm）840-880MPa，规定塑性延伸强度（Rp0.2）760-800MPa，显著低于中部（Rm900-940MPa，Rp0.2820-860MPa）；端部断后伸长率（A）14%-16%、断面收缩率（Z）45%-50%，高于中部（A10%-12%，Z35%-40%）。
同一截面内：边部至心部强度逐渐降低（降幅30-40MPa），塑性逐渐升高（A增幅2%-3%）。
这种差异源于α相的形态与分布：中部等轴α相含量高（50%-55%），通过细晶强化提高强度；端部片层α相占比大，塑性更优但强度较低。
3.1.2冲击韧性的变化规律
冲击韧性（αk）表现为：端部至中部逐渐增大（端部25-30J/cm²，中部35-40J/cm²）；同一截面边部至心部逐渐增大（边部28-32J/cm²，心部32-36J/cm²）。因中部等轴α相可缓解应力集中，而片层α相虽塑性好，但冲击载荷下易沿层间开裂，导致端部韧性较低。
案例：φ410mmTC4棒材L/2截面心部的冲击吸收功（Ak）达40J，而端部仅28J，与显微组织中α相形态的差异直接相关。
3.2TC11钛合金棒材的性能与缺陷影响
3.2.1正常部位的性能特征
无缺陷的TC11棒材室温性能为：Rm1000-1050MPa，Rp0.2950-980MPa，A14%-16%，Z35%-38%，满足航空发动机部件要求。其高温（500℃）强度保持率≥85%，源于Mo元素对β相的强化作用。
3.2.2白亮块缺陷对性能的危害
TC11棒材的低倍白亮块缺陷导致性能显著下降：白亮块处Rm仅680MPa，Rp0.2620MPa，A5%，Z14%，远低于正常部位（如表1所示）。
表1TC11棒材白亮块处与正常部位的性能对比
| 部位 | Rm（MPa） | Rp0.2（MPa） | A（%） | Z（%） |
| 白亮块附近 | 1010 | 970 | 14.5 | 36 |
| 白亮块处 | 680 | 620 | 5 | 14 |
缺陷处性能恶化的原因是：Al、Mo、Zr、Si元素偏析（白亮块处Al3.90%-4.86%，Mo2.53%-3.25%，显著低于基体的5.12%-5.47%和3.73%-3.89%），导致α相含量降低（≤30%）、β相占比升高，弱化了合金的强化效果。
四、钛合金棒材典型缺陷分析与控制技术
4.1TC11钛合金棒材白亮块缺陷的成因
4.1.1缺陷的微观特征与成分偏析
白亮块为棒材中心的连续性缺陷，低倍呈亮银色斑点，高倍观察显示：与基体（等轴α相含量高）相比，白亮块处α相含量低且分布不均，存在个别大尺寸α相，β相占比显著升高，无明显边界。
能谱分析证实：白亮块处Al、Mo、Zr、Si含量显著低于基体，Ti含量则偏高（90.98%-92.41%），属富钛偏析，为冶金缺陷。
4.1.2偏析产生的根源
排除熔炼掉块、原材料粒度不当等因素后，确定偏析源于混料不均匀：TC11合金需添加Al-Mo、Al-Si中间合金及海绵锆，若混合不充分，真空自耗熔炼时（区域性熔化与凝固）易形成成分不均区域，最终导致锻棒白亮块缺陷。
4.2TC4钛合金棒材的组织不均控制
TC4棒材的端部组织较差（4-5级），主要因锻造过程中端部为“变形死区”，变形量不足（≤20%），晶粒未充分破碎。通过优化工艺可改善：
增加端部回炉加热次数（从1次增至2次），确保端部温度≥1000℃；
调整拔长比（从2:1增至3:1），提高端部变形量至30%以上。
某批次棒材经改进后，端部低倍组织提升至3-4级，与中部差异缩小1级。
4.3共性质量控制策略
4.3.1熔炼环节控制
采用“三次真空自耗熔炼+电磁搅拌”，TC11合金混料时间延长至2h，确保元素分布均匀；
铸锭化学成分严格控制（TC4的Al6.36%-6.40%，V4.22%-4.27%；TC11的Al6.61%，Mo3.51%），波动范围≤0.1%。
4.3.2锻造工艺优化
采用数值模拟（如Deform-3D）预测变形均匀性，TC4棒材的镦拔道次从5道增至7道，确保心部变形量≥40%；
TC11棒材精锻时采用“阶梯式温度制度”（980℃→960℃→950℃），抑制元素偏聚。
4.3.3检测技术升级
引入超声相控阵检测，对TC11棒材中心区域进行100%扫查，灵敏度达φ0.8mm；
TC4棒材增加低倍组织对比检验，采用图像分析法量化评级（误差≤0.5级）。
五、全文总结
本文通过整合TC4与TC11钛合金棒材的研究成果，揭示了大规格钛合金棒材的锻造工艺、组织性能规律及缺陷控制技术，主要结论如下：
工艺-组织关联：TC4的6火次锻造通过多火次镦拔实现组织细化，中部因变形充分形成等轴α相主导的组织（50%-55%），性能更优；TC11的“β相区开坯+α+β相区精锻”工艺需控制混料均匀性，避免元素偏析。
性能分布特征：TC4棒材沿长度和截面存在性能梯度（中部强度高、端部塑性好），与α相形态（等轴/片层）直接相关；TC11的白亮块缺陷导致性能骤降（强度降幅30%-40%），源于Al、Mo等元素偏析。
质量控制要点：TC4需优化端部变形量与温度，缩小组织差异；TC11需强化混料与熔炼控制，消除白亮块缺陷；两者均需结合先进检测技术（超声相控阵、图像分析）确保质量。
未来研究应聚焦智能化工艺优化，通过AI算法预测组织性能，结合原位监测技术实现大规格钛合金棒材的“精准锻造”，为航空航天装备提供更高质量的关键材料。
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