顯微組織對(duì)TC11 鈦合金鍛件力學(xué)性能的影響

康 聰，楊 佩，李 菁

（西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201）

TC11 合金屬于馬氏體型的α+β 型熱強(qiáng)鈦合金，其名義成分為Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si。它具有比強(qiáng)度高，中溫性能好，耐腐蝕性能好，疲勞強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)，且可熱處理強(qiáng)化，是制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)，高壓壓氣機(jī)盤(pán)以及葉片等的主要材料，也被用于制造飛機(jī)上的重要承力部件[1，2]。合金內(nèi)部組織決定了其最終的使用性能，合理的組織形貌組合可很大程度上改善材料的力學(xué)性能[3]。本文通過(guò)設(shè)計(jì)不同的熱加工及熱處理工藝獲得了不同的顯微組織形貌，研究分析了顯微組織對(duì)TC11 鍛件室溫拉伸性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用材料為西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的TC11 鈦合金棒材，相變點(diǎn)為1005℃～1010℃。試驗(yàn)用原材料通過(guò)不同的熱加工或熱處理工藝制取不同的顯微組織形貌，顯示金相組織所用腐蝕劑為10%HF+30%HNO3+70%H2O，腐蝕后在Stemi2000 型顯微鏡進(jìn)行組織觀察，并利用Image-ProPlus 軟件進(jìn)行初生α 相含量定量表征；隨后進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)試，拉伸試樣按GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》加工成Φ5mm 的標(biāo)準(zhǔn)試樣并在1185 型材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 αp 對(duì)TC11 力學(xué)性能的影響

圖1 為不同等軸αp含量的TC11 退火態(tài)組織，經(jīng)Image-ProPlus 軟件進(jìn)行初生αp相含量定量表征，等軸αp相含量依次為：44%、39%、32%、40%。從圖1 可以看出，H1、H2、H3 初生αp相含量呈遞減趨勢(shì)；H4 等軸αp相含量與H2 大致相當(dāng)，但其尺寸、分布存在差別。H2 試樣內(nèi)部αp晶粒尺寸均勻一致，而H4 試樣內(nèi)部存在明顯的“雙套組織”，及存在兩種尺寸級(jí)別的等軸α 晶粒。

圖1 不同等軸αP 含量TC11 鈦合金鍛件顯微組織

圖2 給出了H1、H2、H3 三種TC11 鍛件室溫拉伸性能與等軸αp相含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由圖2 可以看出，隨著等軸αp相含量的增加，材料的強(qiáng)度降低，塑性略微升高。這是由于隨著材料內(nèi)部等軸αp相含量的增加，β 轉(zhuǎn)變體含量減少，致使α/β 相界面含量下降，對(duì)于位錯(cuò)的釘扎作用減弱，降低了材料的強(qiáng)度，并提升了材料的塑性；另外，隨著等軸αp含量的增加，材料內(nèi)部的合金元素分配效應(yīng)加劇，意味著此時(shí)β 轉(zhuǎn)變體內(nèi)部α 片層的Al 含量降低，導(dǎo)致β 轉(zhuǎn)變體強(qiáng)度的下降，進(jìn)而導(dǎo)致整體強(qiáng)度的下降，而由于材料的塑性不受屈服行為的影響，主要取決于α 晶團(tuán)的大小。因此，合金元素分配效應(yīng)對(duì)于塑性的影響非常小[4]；最后，隨著等軸αp相含量的增加，材料的變形協(xié)調(diào)性增加，致使塑性略微增加。這三者的綜合影響導(dǎo)致隨著等軸αp相含量的增加，材料的強(qiáng)度降低，塑性略微升高。

圖2 不同等軸αP 含量TC11 鈦合金鍛件室溫拉伸性能

表1 則給出了H2 與H4 的室溫拉伸性能比較。從表1 可以看出，H4 試樣的屈服強(qiáng)度、延伸率明顯優(yōu)于H2，抗拉強(qiáng)度及端面收縮率基本相當(dāng)。從顯微組織分析可知，H4 試樣的晶粒平均尺寸要小于H2 試樣，根據(jù)Hall-Petch 公式：σ=σ0+kd^(-1/2)可知，平均晶粒尺寸越小，材料的屈服強(qiáng)度越高。這是由于此時(shí)晶界的數(shù)量增加，導(dǎo)致位錯(cuò)移動(dòng)時(shí)的阻力增大，使得金屬的變形抗力增加；另一方面，平均晶粒尺寸的減小意味著晶粒數(shù)目的增加，致使材料的塑性變形可以分散到更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，使得材料的變形協(xié)調(diào)性上升，致使延伸率提高。

表1 不同等軸αP 晶粒尺寸TC11 鈦合金鍛件室溫拉伸性能

2.2 次生片層α相對(duì)TC11 力學(xué)性能的影響

圖3 中H5、H6 為同一退火溫度經(jīng)不同冷卻介質(zhì)冷卻后的顯微組織。經(jīng)Image-ProPlus 軟件進(jìn)行初生αp相含量定量表征，αp相含量大致相當(dāng)，約為30%，晶粒尺寸約為14.8μm。從圖3 可以看出，H5、H6 試樣次生片層α 相形態(tài)存在明顯差距，H5 試樣中次生片層α 相呈短棒狀，長(zhǎng)寬比較??；H6 試樣次生片層為細(xì)小的針狀，長(zhǎng)寬比高于H5試樣。

圖3 不同次生片層α 相形態(tài)TC11 鈦合金鍛件顯微組織

表2 則給出了H4 與H5 的室溫拉伸性能比較。從表2 可以看出，H6 試樣的強(qiáng)度明顯優(yōu)于H5 試樣，但其延伸率及斷面收縮率略有下降。

在αp含量一定的情況下，β 轉(zhuǎn)變體比例也隨之固定。從幾何學(xué)角度來(lái)講，相同體積下，球形表面積最小。隨著β轉(zhuǎn)變體內(nèi)部α 片層越脫離等軸狀，即長(zhǎng)寬比越大，意味著其表面積占比也越高，相界面也隨之增加。相界面對(duì)于位錯(cuò)的釘扎效應(yīng)限制了位錯(cuò)在晶粒內(nèi)部的滑移，導(dǎo)致了位錯(cuò)移動(dòng)時(shí)的阻力增大，使得金屬的變形抗力增加，從而使得材料強(qiáng)度上升，塑性下降。

表2 TC11 鈦合金鍛件室溫拉伸性能

3 結(jié)論

（1）隨著αp相含量的增加，材料的強(qiáng)度降低，塑性略微升高；等軸αp相平均晶粒尺寸的降低有利于提高材料的強(qiáng)塑性。

（2）隨著次生片層α 相長(zhǎng)寬比升高，材料的強(qiáng)度上升、塑性下降。