TC11鈦合金是我國于20世紀70年代末研發的一種α+β型鈦合金。該合金具有良好的可加工性和熱穩定性，可在500 -550 長時間使用。當TC11鈦合金用于制作飛機發動機壓氣盤、葉片、機閘等關鍵零部件時，需要具備良好的室溫力學性能、高溫強度和沖擊韌性等⑴。通過熱處理可以對TC11鈦合金的組織進行調控，從而使其獲得優異的綜合性能[2-4]。目前，TC11鈦合金最為常規的熱處理制度為（950 -970）℃/120 min/AC +530 T/360 min/AC0然而，對于直徑在200 mm以上的大規格TC11鈦合金棒材，熱處理過程中，往往由于心部溫降緩慢而造成不同位置的組織和力學性能出現差異⑸。此外,TC11鈦合金的合金化程度高，含有易偏析元素Mo,故加工過程中合金組織對工藝參數十分敏感，組織均勻性的控制難度較大⑷。因此，研究了大規格TC11鈦合金棒材熱處理后組織和力學性能的分布規律，以期為實際生產過程中組織和力學性能的均勻性控制提供參考依據。

1、實驗

1.1實驗材料

實驗材料為經過3次真空自耗電弧爐熔煉的TC11鈦合金鑄錠，其直徑為620 mm,主要化學成分為：A1 6.5% , Mo 3. 52%, Zr 1.69% , Si 0. 31% ,余量為Ti。金相法測得鑄錠相變溫度為1000 ~ 1005℃。鑄錠經β相區開坯，α+β相區多火次鍛造，得到規格為φ200 mm x 1300 mm的棒材。

1.2實驗方法

對TC11鈦合金棒材進行970℃/120 min/AC +530 °C/360 min/AC熱處理。按圖1a所示，沿棒材長度（Z）方向分別在L、L/4、L/2處截取0200 mmx20mm盤片，每個盤片沿直徑（D）方向分別在D/4、D/2處取金相試樣和拉伸試樣。采用OLYM-PUS PLAG3光學顯微鏡進行顯微組織觀察。采用INSTRON 8985萬能試驗機進行室溫、高溫拉伸性能試驗。按圖1b所示，在棒材另一端Z處沿D至D/2處平均取6個沖擊試樣，標記為1#~ 6%采用ZBC2602-CE沖擊試驗機進行夏比沖擊試驗（U型缺口），測量試樣的沖擊韌性。

2、結果與分析

2. 1顯微組織

圖 2 為經 970℃/120 min/AC +530 V/360 min/AC熱處理后TC11鈦合金棒材沿長度方向和直徑方向不同位置的顯微組織。D處沿長度方向（L至L2處）的顯微組織（圖2a~2c）變化較小，主要表現為等軸初生α_p相晶粒長大，部分次生α_s相由針狀逐漸長大成短條狀。D/2處沿長度方向（L至L/2處）顯微組織（圖2g~2i）變化最為明顯，越靠近Z/2,等軸初生叫相含量越多且晶粒尺寸更大，次生α_s相由針狀長大成短條狀甚至棒狀，β相含量逐漸減少，在D/2、Z/2處的顯微組織幾乎全部為初生兔相和次生α_s相。D/4處TC11鈦合金的顯微組織（圖2d~2f）變化介于。和D/2之間。

顯微組織主要與TC11鈦合金棒材熱處理過程中的溫度變化有關。TC11鈦合金的導熱性較差，在熱處理過程中存在一定的溫度梯度，在長度和直徑方向上越靠近心部，棒材的冷卻速度越慢，使得初生珀相和次生乂相有足夠的時間緩慢長大，越靠近棒材表面，熱處理后冷卻速度越快，α相來不及長大,同時可以將更多的β相保留下來。

2.2室溫拉伸性能

圖3為熱處理后TC11鈦合金棒材不同位置的室溫拉伸性能。沿棒材長度方向從L至Z/2處，在D和D/4位置的強度變化較小，但D/2處的室溫拉伸性能存在明顯差異，靠近L/2處,強度顯著降低,塑性增加。室溫拉伸性能的變化主要與棒材顯微組織的變化有關。沿長度方向，棒材。D/2處的顯微組織變化最為明顯，因此，室溫拉伸性能的變化也更具有規律性。這主要是因為沿長度方向，棒材D/2處的初生α_p相含量增加，β相含量降低，致使α/β相界面減少，對位錯的釘扎作用減弱，使材料更容易發生變形，強度降低，且隨著初生叫相含量的增加，材料的變形協調性增加，致使塑性略微增加⑺。

2.3高溫拉伸性能

圖4為TC11鈦合金棒材不同位置的高溫拉伸性能。從圖4可以看出，TC11鈦合金棒材的高溫抗拉強度表現出沿不同方向越靠近心部，強度越低。鈦合金的高溫拉伸行為較室溫拉伸行為更加復雜，受多種因素影響，但也主要與顯微組織有關。如前所述，沿長度方向越靠近1/2處，初生α_p相、次生α_s相含量增加，β相含量降低。觀察厶處沿直徑方向顯微組織變化規律可以發現，越靠近D/2處，初生α_p相和β相晶粒長大越明顯。α_p相含量增加會降低高溫抗拉強度，同時，次生匕相片層厚度增加、方向性增強，β晶粒尺寸長大等顯微組織的變化，也都會造成高溫抗拉強度的降低⑻。從圖4還可以看出，棒材不同位置的高溫塑性變化不大，說明顯微組織變化對高溫塑性的影響較小。

2.4沖擊韌性

圖5為熱處理后TC11鈦合金棒材L處不同位置的沖擊韌性。從圖5可以看出，沿棒材直徑方向，越靠近心部，沖擊韌性越低。對比厶處不同位置顯微組織可以發現，由D處到D/2處，棒材的初生α_p相和次生α_s相晶粒逐漸長大，含量增加，對應把β相含量逐漸減少。初生α_p相界有利于微裂紋的形核⑼，因此，初生α_p相含量增加，TC11鈦合金棒材的沖擊韌性降低。

3、結論

(1) 經 970 ℃/120 min/AC +530 °C/360 min/AC熱處理后，大規格TCI 1鈦合金棒材不同位置的顯微組織存在一定差異。其中，D/2處組織變化最為明顯，主要表現為α相含量增加，晶粒長大，β相含量降低。

(2) 大規格TC11鈦合金棒材不同位置的室溫拉伸性能變化與顯微組織密切相關。沿長度方向，D/2處的顯微組織差異最為明顯，室溫拉伸性能表現為由邊部至心部抗拉強度逐漸降低，塑性升高。

(3) 大規格TC11鈦合金棒材顯微組織對其高溫抗拉強度和沖擊韌性具有顯著影響。越靠近心部(D/2和Z/2),高溫抗拉強度和沖擊韌性越低，但高溫塑性變化不明顯。

參考文獻

[1] 許國棟，王鳳娥.高溫鈦合金的發展和應用[J].稀有金屬，2008, 32(6) : 774-780.

[2] 鄒清燕，蔡俊哲，賈東明，等.TC11棒材初生a含量與熱處理溫度的關系[J].鈦工業進展，2001, 18(1)： 43-45.

[3] 姜麗華，田軍強，張利軍，等.熱處理對TC11鈦合金室溫力學性能的影響[J].材料開發與應用，2017, 32(4): 38 -43.

[4] 韓棟，毛小南，張鵬省，等.雙重退火溫度對高應力水平TC11合金組織性能的影響[J].中國有色金屬學報,2010 , 20(1) ： 577-580.

[5] 吳華，楊建朝，李常亮，等.大規格TC11鈦合金棒材的熱處理[J].金屬熱處理，2010, 35(9)： 73 -75.

[6] 王媛，趙民權，謝力，等.TC11合金大規格棒材異常組織分析[〕]?金屬熱處理，2015, 40(12)： 53 -55.

[7] Lutjering G, WiUiams J C.鈦[M].雷霆，等譯.北京：冶金工業出版社，2011.

[8] 賀飛，陳海峰，王玉會.顯微組織對TA15合金高溫拉伸性能的影響[J]?材料工程，2012(2)： 13-19.

[9 ] Zhou W, Chew K G. Eflect of welding on impact to ughness of butt-joints in a titanium alloy [ J]. Materials Science and Engineering A, 2003 , 347(1/2) : 180 - 185.

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