不同显微组织类型对TC11 钛合金饼材力学性能的影响

文／刘宇舟，段晓辉，杨亚明，张少波，欧笑笑·宝鸡钛业股份有限公司

王少阳·宝钛集团有限公司

钛合金是当代飞机和发动机的主要结构材料之一，在减轻飞机重量、提高飞机推重比、增加飞行距离和减少燃料费用等方面具有十分重要的意义。随着我国航空航天事业的迅速发展，对飞行器结构材料的要求集中在轻质、高强、高韧上。TC11 钛合金锻件的组织和力学性能主要由锻造变形决定，热处理的作用不像钢材那么大，因此，为获得高质量锻件，锻造工艺选择尤为重要，钛合金材料的锻造工艺有α+β 相区锻造、β 锻造等。

目前，TC11 钛合金锻件采用α+β 相区锻造，其各项力学性能满足航空材料使用要求，锻后组织为双态组织或者等轴组织。但随着复杂高筋薄壁构件在航天飞行器中广泛的应用，整体制造成为实现这类构件轻量化的重要途径，也是当前制造领域最具有挑战的工程难题之一。本次研究是基于以上目的开展，结合3D 打印技术生产复杂高筋薄壁构件的一次技术摸底，确保TC11 钛合金基体材料有优异室温、高温性能的同时，保持良好的平面断裂韧性，这是高损伤容限表征数据之一。

试验材料和方法

试验用合金采用真空自耗电弧炉三次熔炼得到的φ700mm 铸锭。铸锭的化学成分如表1 所列，测定的β 相变点为1018℃。铸锭合金成分及杂质含量满足GB/T 3620.1-2016 中成分要求，且头尾成分均匀，一致性较好。

表1 TC11 钛合金铸锭化学成分(质量分数，%)

铸锭经过总锻造比大于12 的自由锻造后，加热温度从β 相区开始，逐次降低加热温度，成品锻造火次加热温度均在相变点以下，生产φ210mm 规格棒材。棒材按照标准要求，超声波探伤和成品理化性能检验合格。切取长度150mm 棒段进行本次镦饼热加工工艺试验，采用的三种加工方式分别为两相区锻造+固溶时效热处理、两相区锻造+β 热处理和准β 锻+固溶时效处理、生产φ×45m 镦饼。完成后按照执行标准要求，线切割切取纵向样条，经过机加工后进行室温拉伸性能、高温拉伸性能、平面断裂韧性和显微组织检测。采用INSTRON 68FM-100 试验机测试室温拉伸性能，采用ETM105D-Z 试验机测试高温拉伸性能，采用MTS810 试验机测平面断裂韧性，采用ZEISS200MAT 光学显微镜观察不同热处理制度处理后的显微组织。

结果与分析

本试验的TC11 钛合金镦饼显微组织如图1 所示。

图1 TC11 钛合金镦饼显微组织照片

由图1(a)可知，两相区锻造+固溶时效处理的显微组织为典型的双态组织，晶粒尺寸基本均匀，球化效果较好，平均晶粒尺寸为18μm。α 相由两部分组成，分别为锻造变形后再结晶产生的初生α 相和固溶时效退火β 相分解产生的次生α 相，初生α 相为球状，次生α 相为片层状，片层平均厚度经测量为0.4μm 左右，α 相含量在45%左右。

由图1(b)可知，两相区锻造+β 热处理后的显微组织为片层状魏氏组织，在显微组织照片上可明显看到晶界，平均晶粒尺寸为35μm。这是由于β 热处理是在β 转变温度以上加热，在保温阶段会出现晶粒的长大，初生α 相逐渐消失，转变为β 相，在冷却过程中，晶界位置析出长条α 相，晶内出现片层次生α 编织。片层平均厚度经测量为0.5μm 左右，α 相含量在75%左右。

由图1(c)可知，准β 锻+固溶时效处理后的显微组织为典型网篮组织，无明显晶界，均为针状的α 相集束，α 相集束尺寸为1.6μm，α 相含量在80%左右。

钛合金综合性能的进一步提升要求其最终的组织形态，相的比例，晶粒大小和分布，晶内缺陷消除程度和各组成相的匹配等均达到最优化配合，而所有上述因素都与热加工历史有关，对三种热加工工艺对应的室温拉伸性能、平面断裂韧性和高温拉伸性能进行检测，力学性能数据如表2 所示。

表2 TC11 钛合金镦饼室温性能

⑴对比三种加工方式下镦饼的室温拉伸性能，两相区锻造+固溶时效处理得到镦饼的室温强度和塑性均最高，两相区锻造+β 热处理最差，准β 锻+固溶时效处理居中。三种加工方式强度和塑性均为相同变化趋势，同步下降或升高。三种加工方式在强度方面性能水平在同一区间，但两相区锻造+β 热处理在塑性方面损失较多。这是由于加热温度超过其β 相变点时，合金材料元素在β 相区中扩散系数加大，β 相长大倾向很大，形成了粗大组织，这将导致“β 脆性”，所以造成塑性的恶化。

⑵对比三种加工方式平面断裂韧性，两相区锻造+β 热处理得到的镦饼室温强度和塑性均最高，准β 锻+固溶时效处理次之，两相区锻造+固溶时效处理的最低。从显微组织照片上进行分析，两相区锻造+β 热处理同时存在魏氏组织和网篮组织特点，存在粗大晶界同时，晶内为类似网篮的片层组织，相比其他两种组织类型，这使得裂纹扩展路径更加曲折，裂纹传播时需要耗费更多能量，所以使其具有优异的断裂韧性。

三种加工方式500℃高温拉伸性能见表3，在强度方面，两相区锻造+固溶时效处理得到的镦饼最低，准β 锻+固溶时效处理的最高，两相区锻造+β 热处理居中。在塑性方面，呈现完全相反的趋势，两相区锻造+固溶时效处理得到镦饼的最高，准β 锻+固溶时效处理的最低，两相区锻造+β 热处理居中。与室温拉伸性能数据一致，两相区锻造+β 热处理在高温塑性方面损失仍较多。

表3 TC11 钛合金镦饼高温性能(500℃)

虽然三种加工方式对各项性能影响各异，但检测结果均满足航空发动机使用要求。三种加工方式中，本次试验准β 锻+固溶时效处理综合性能最优。

结合本次试验目的——生产复杂高筋薄壁构件的技术摸底，两相区锻造+β 热处理加工方式对β 相区加热时长尤为敏感，只能处理整体尺寸接近的锻件，对于复杂高筋薄壁构件，单一温度很难保证各个厚度位置热处理效果一致。且同时对比室温和高温性能，两相区锻造+β 热处理加工方式在塑性方面均损失较多，后续选择时需慎重考虑。准β 锻+固溶时效处理加工方式虽然也存在β 相区加热，但随之发生的变形可细化晶粒并破碎形成的晶界，所以，该加工方式对加热时长敏感度不高，通过后续热处理可对α 相集束尺寸进行调控，可以应用于生产复杂高筋薄壁构件。

结论

⑴采用两相区锻造+固溶时效处理的显微组织为典型的双态组织，两相区锻造+β 热处理后的显微组织为片层状魏氏组织，准β 锻+固溶时效处理后的显微组织为典型网篮组织；

⑵三种加工方式对比单一性能，室温拉伸性能方面两相区锻造+固溶时效处理最优，平面断裂韧性方面两相区锻造+β 热处理最优，高温力学性能方面准β 锻+固溶时效处理最优；

⑶两相区锻造+β 热处理加工方式对β 相区加热时长尤为敏感，且其在塑性方面均损失较多，后续选择时需慎重考虑；

⑷三种加工方式的各项力学性能均满足航空发动机使用要求，准β 锻+固溶时效处理综合性能最优，在室温拉伸性能损失不明显的情况下，可较为稳定地提升平面断裂韧性和高温性能，在复杂高筋薄壁构件生产方面应用前景广阔。