不同工藝鍛造的TC11鈦合金棒室溫力學(xué)性能

TC11鈦合金的名義成分為6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.25Si，屬高鋁當(dāng)量馬氏體型α+β兩相鈦合金。這種合金具有良好的高溫強(qiáng)度、耐腐蝕性、熱穩(wěn)定性及抗蠕變性能，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，常制造壓氣機(jī)盤、葉片、環(huán)形件和緊固件等，是目前航空工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的鈦合金之一。隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平不斷提高，對(duì)這些關(guān)鍵部件用鈦合金的組織及性能提出了越來越高的要求。目前，受鈦及鈦合金物理性質(zhì)及熔煉技術(shù)的限制，鍛造仍是鈦合金熱加工中使用最廣泛和最有效的方法。該方法不僅可以直接鍛壓成所要求的工件形狀，還可以優(yōu)化微觀組織結(jié)構(gòu)，消除鑄態(tài)疏松等缺陷，提高材料的力學(xué)性能[1-2]。

1、試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用的TC11鈦合金鑄錠采用真空自耗電弧爐經(jīng)三次熔煉，成品錠型為準(zhǔn)720mm。取鑄錠上、中、下三點(diǎn)測(cè)化學(xué)成分，結(jié)果符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[3]要求，詳見表1。

采用金相法測(cè)得該鑄錠的相變點(diǎn)為1000～L（L為長(zhǎng)度），按照□360mm×720mm下料后執(zhí)行表2工藝。

按照以上三種鍛造工藝，得到準(zhǔn)240mm棒材，在不同工藝鍛造的棒材端部50mm處各取兩組試樣，規(guī)格為準(zhǔn)240mm×30mm，每組試樣經(jīng)過950℃/2h，AC+530℃/6h，AC的熱處理，最后對(duì)熱處理后的試樣進(jìn)行室溫拉伸性能的檢測(cè)。金相試樣依次采用80#～1200#砂紙粗磨、細(xì)磨、機(jī)械拋光（金剛石拋光液），直至試樣的表面無目視可見劃痕后進(jìn)行化學(xué)腐蝕，腐蝕劑配比為10mlHF+30mlHNO3+160mlH2O，顯微組織觀察采用OLYPUSPEM-3金相顯微鏡。室溫拉伸試樣按GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》制作加工成R7試樣,室溫拉伸性能測(cè)試采用UTM5205電子萬能試驗(yàn)機(jī)。

2、結(jié)果分析與討論

2.1鍛造工藝對(duì)TC11鈦合金棒材顯微組織的影響

圖1為使用三種工藝鍛造的TC11鈦合金棒材顯微組織。對(duì)比圖1（a）、（b）可以看出，經(jīng)α+β兩相區(qū)鍛造后，TC11鈦合金試樣的顯微組織為典型的等軸組織，其特征是在β轉(zhuǎn)變基體上分布著等軸α相，等軸α形貌相近，球化程度較高，尺寸大小相似，約為10μm。但等軸α含量有所不同，其中圖1（a）等軸α含量約為40%，圖1（b）中等軸α含量約為60%。由此可見，隨著鍛造溫度的升高，溶質(zhì)原子擴(kuò)散速度加快，α相向β相轉(zhuǎn)變?cè)龆啵沟贸跎料嗪繙p少[4]。因此，可以通過控制熱變形溫度來控制TC11鈦合金中初生α相與β相轉(zhuǎn)變的比例，實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)選擇合適的變形溫度。

對(duì)比圖1（b）、（c）可以看出，圖1（c）中α相球化程度較差，形狀多數(shù)為條狀，且尺寸粗大，約為25μm。圖1（b）經(jīng)過β區(qū)和兩相區(qū)鐓拔后，由于原始鑄態(tài)組織經(jīng)過β區(qū)充分破碎，形成的β相區(qū)片層組織厚度較薄，易于破碎球化，經(jīng)過兩相區(qū)鐓拔變形后，原始片層組織已經(jīng)基本上轉(zhuǎn)化為等軸組織，球化程度高。而圖1（c）由于未經(jīng)過β相區(qū)充分變形，原始鑄態(tài)組織破碎不充分，形成的片層組織厚度較厚，雖然經(jīng)過兩相區(qū)鍛造處理，但其組織表現(xiàn)為條狀α相，沒有完全球化，且組織粗大。因此，經(jīng)過β相區(qū)充分變形后，組織更易于破碎，等軸組織球化程度更高[5]。

2.2鍛造工藝對(duì)TC11鈦合金棒材力學(xué)性能的影響

對(duì)三種鍛造工藝的TC11鈦棒材各在R/2處取2個(gè)弦向拉伸試樣測(cè)室溫拉伸性能，對(duì)2個(gè)試樣的室溫拉伸性能進(jìn)行平均，結(jié)果見表3。由表3可以看出，按照工藝B鍛造的棒材抗拉強(qiáng)度高出50～75MPa，屈服強(qiáng)度高出30～55MPa，伸長(zhǎng)率及斷面收縮率略有降低。

這是由于在室溫下，兩相鈦合金的強(qiáng)度隨著初生α相含量的變化而變化，初生α相含量增多，則其強(qiáng)度升高，反之亦然。晶粒的細(xì)化程度也會(huì)影響合金的強(qiáng)度，合金組織越粗大，強(qiáng)度越低，即強(qiáng)度隨晶粒的長(zhǎng)大而下降[6]。因此，使用工藝B的棒材強(qiáng)度要略高一些，而塑性與其他兩種工藝相當(dāng)，棒材的強(qiáng)度和塑性達(dá)到了較好的匹配。

3、結(jié)論

（1）可以通過控制鍛造溫度來控制TC11鈦合金中初生α相與轉(zhuǎn)變?chǔ)孪嗟谋壤?隨著變形溫度的升高，α相向β相轉(zhuǎn)變?cè)龆啵沟贸跎料嗪繙p少。

（2）通過β相區(qū)和兩相區(qū)相結(jié)合的鐓拔變形方式，更易于原始鑄態(tài)組織的破碎，成品棒材等軸組織球化程度較高。

（3）初生α相含量越高，等軸組織球化程度越高，組織越細(xì)小，這有利于棒材的塑性和強(qiáng)度的較好匹配。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧瑞剛，楊冠軍，毛小南，等．鍛造工藝及后續(xù)熱處理對(duì)TC11鈦合金組織及性能的影響[J]．機(jī)械工程材料，2011，35（11）：58-62．

[2]朱紅，廖鴻．鍛造溫度對(duì)TC11鈦合金組織和性能的影響[J].熱加工工藝，2013，42（13）：128-130．

[3]GB/T3620.1-2007鈦及鈦合金牌號(hào)和化學(xué)成分[S]

[4]不同鍛造工藝對(duì)TC4鈦合金棒材顯微組織與力學(xué)性能的影響[J]．鈦工業(yè)進(jìn)展，2014，31（5）：14-17．

[5]張智，李維，廖強(qiáng)，等，不同鍛造工藝對(duì)TC10鈦合金組織和性能的影響[J]．機(jī)械工程與自動(dòng)化，2014（3）：108-110．

[6]賴運(yùn)金．鈦合金片狀組織演變機(jī)制與球化動(dòng)力學(xué)研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007．