TC11鈦合金強化熱處理工藝研究

1、序言

TC11鈦合金是新型航空裝備上開始應用的一種α-β型鈦合金，該合金是一種綜合性能良好的熱強鈦合金，在500℃以下具有優異的熱強性能（高溫強度、蠕變抗力等），并具有較高室溫強度及良好的熱加工工藝性能，主要應用于航空發動機壓氣機盤、葉片、鼓筒及飛機結構件等零件。隨著航空領域技術的不斷發展，航空零件的制造對鈦合金的性能提出了較高的要求，其性能與材料內部組織結構密切相關，通過采用合適的熱處理工藝進行內部顯微組織的調控，可獲得具有優異組織性能的鈦合金零件 [1-4] 。

本文研究了TC11鈦合金在雙重退火和固溶時效兩種熱處理工藝下的組織和性能特點，確定了固溶時效工藝作為提高抗拉強度的最終強化熱處理工藝，并進行不同固溶、時效工藝參數的熱處理試驗，分析了TC11鈦合金固溶時效工藝參數-顯微組織-力學性能之間的相互影響機制，并對固溶和時效工藝參數進行優化分析，得到了可獲得優良組織性能的強化熱處理工藝組合，達到了圖樣對零件力學性能的要求，且為后續的TC11鈦合金理論研究積累了豐富的數據，具有重要的理論和工程實際意義。

2、試驗材料及方法

2.1 試驗材料及規格

本研究試驗用TC11鈦合金的化學成分經入廠復驗合格，其含量符合GJB-2218A—2008標準中的成分要求 。 熱處理工藝試棒尺寸為φ16mm×400mm，材料初始狀態為雙重退火，顯微組織如圖1所示，組織形態為典型雙態組織，由一定含量白色等軸球狀的初生α相和分布著細小針狀次生α相的β轉變組織構成。

2.2 試驗方法

根據TC11鈦合金相關技術標準和文獻研究結論，制定試驗研究熱處理工藝制度，采用微機控制電子萬能試驗機CMT5105進行拉伸試驗檢測力學性能，顯微組織檢測為在試棒上切取組織觀察試樣，經鑲嵌、磨拋和腐蝕后制作TC11金相試樣，采用蔡司Axio Imager A1m金相顯微鏡進行顯微組織觀察并拍攝組織照片。

3、討論和分析

3.1 不同熱處理工藝對TC11組織性能的影響根據TC11鈦合金相關熱處理技術標準，制定了不同熱處理工藝試驗制度，見表1，分別為試驗號A、B和C，試驗號A為固溶+時效熱處理制度，試驗號B和C為雙重退火熱處理制度，按表1中熱處理制度進行工藝試驗。

對熱處理后的試棒進行拉伸性能檢測，獲得的抗拉強度值見表1，可知均滿足不了圖樣規定的抗拉強度1150MPa±100MPa要求，試驗號A固溶時效的強度值偏高，超過上限值，而試驗號B和C雙重退火的強度值偏低，達不到下限值。

試驗號A、B和C的顯微組織照片如圖2所示。圖2a為固溶、時效狀態組織，由圖可知，在α+β兩相區上部溫度加熱后，淬火快速冷卻，保留下來大量的亞穩定β相，是一種過飽和固溶體（眾穩相），由于冷卻速度快，過冷度大，再結晶晶粒來不及長大，同時引起了晶格畸變，促使在時效過程中，大量細小、無方向性的針狀α相從亞穩定β轉變相中析出，并交叉排列在β轉變基體上，并包含少量初生α相。圖2b和圖2c為雙重退火狀態組織，由白色等軸球狀的初生α相和分布著少量細小針狀次生α相的β轉變組織組成。對比圖2中的組織，可知固溶時效狀態中的等軸初生α相數量明顯少于雙重退火狀態且尺寸較大，而針狀次生α相的含量明顯多于雙重退火狀態，由文獻[2]可知，隨著針狀次生α相的增加，交錯排列的α相界面阻礙了滑移的進行，使得合金變形困難，其強度逐漸增加，而隨著初生等軸α相的增加，其強度降低，塑性和韌性增加，可知固溶時效強度明顯高于雙重退火。

3.2 不同固溶、時效工藝制度對TC11組織性能影響

根據以上分析可知，采用雙重退火較難達到圖樣技術要求，結合上述研究結論，制定TC11鈦合金固溶、時效熱處理工藝制度，見表2。通過對固溶、時效熱處理工藝參數進行試驗研究，分別研究固溶溫度、固溶時間、時效溫度和時效時間對其顯微組織和力學性能的影響規律。

將表2中9組熱處理試棒加工成拉力試樣檢測力學性能，獲得的力學性能值見表3。由表3可知，試驗號1、4和8對應的強度值可滿足1150MPa±100MPa的要求，且具有較好的塑性。

根據文獻[1-2]可知，TC11鈦合金固溶時間和時效時間對力學性能影響不大，圖3為TC11鈦合金不同固溶溫度和時效溫度下的抗拉強度變化曲線，由圖可知，固溶溫度為930℃和950℃時，抗拉強度值隨時效溫度的升高而降低，固溶溫度為980℃時，抗拉強度值隨著時效溫度的升高先升高后降低；當時效溫度為530℃時，抗拉強度值隨著固溶溫度的增高先升高后降低，當時效溫度為600℃和650℃時，抗拉強度值隨著固溶溫度的升高而增高。

分別將9組熱處理試棒制備金相組織觀察試樣，圖4為采用顯微鏡拍攝的500倍下TC11顯微組織照片，按圖片順序分別對應表2中的試驗號。由圖4可知，試驗號1、4和8的顯微組織為典型雙態組織，由白色等軸初生α相和分布著細小針狀次生α相的β轉變組織組成，與圖2a對比可知，圖4a、4d和4h中的初生α相含量較多，細小針狀次生α相較少，所以抗拉強度值有所降低。由圖可知，當時效溫度為600℃和650℃時，隨著固溶溫度的升高，初生α相含量不斷減少，β轉變組織增多，使得強度不斷提高；當固溶溫度為930℃和950℃時，隨著時效溫度的升高，β轉變組織上次生α相不斷長大，使得強度有所降低。

4、結束語

1）TC11鈦合金雙重退火和固溶時效熱處理工藝獲得的組織形態有所差別，固溶時效狀態中的等軸初生α相少于雙重退火狀態且尺寸較大，而針狀次生α相的含量明顯多于雙重退火狀態，導致固溶時效強度高于雙重退火的強度。

2）當固溶溫度為930℃和950℃時，抗拉強度值隨著時效溫度的升高而降低，固溶溫度為980℃時，抗拉強度值隨著時效溫度的升高先增高后降低；當時效溫度為530℃時，抗拉強度值隨著固溶溫度的增高先升高后降低，當時效溫度為600℃和650℃時，抗拉強度值隨著固溶溫度的升高而增高。

3）得出3組固溶時效熱處理制度的強度值符合圖樣的要求范圍，組織由白色等軸初生α相和分布著細小針狀次生α相的β轉變組織組成，熱處理制度分別為30℃×0.5h/600℃×6h、 930℃×1h/650℃×3h和950℃×1.5h/650℃×6h，對應的強度平均值分別為1210MPa、1155MPa和1170MPa。

參考文獻：

[1] 唐光聽，朱張校. TC11合金在不同熱處理條件下的顯微組織分析[J].稀有金屬，2002，26（2）：146-148.

[2] 王金惠. TC11鈦合金的高溫變形行為及熱處理工藝對合金組織性能的影響[D].長沙：中南大學碩士學位論文，2010.

[3] 姚夢，劉勇，朱景川.TC11鈦合金雙重熱處理工藝設計[J].熱處理技術與裝備，2016，37（5）：65-70.

[4] 張雪敏，張偉，李海峰，等. TC11鈦合金大規格環材的組織與性能研究[J].鍛造與沖壓，2019（19）：58-61.