锻造工艺对TA11钛合金棒材的性能改变研究

供稿|段晓辉，李渭清，李峰丽，李巍，岳旭，张伟，宋蕊池 / DUAN Xiao-hui, LI Wei-qing, LI Feng-li, LI Wei,YUE Xu, ZHANG Wei, SONG Rui-chi

TA11钛合金(Ti-8Al-1Mo-1V)，是一种近α型耐热钛合金。它具有较高的室温高温强度、良好的热稳定性和高温蠕变性能等诸多优点，主要用于飞机发动机压气机盘、1～3级转子叶片等高速旋转部件[1,2]。这些构件，长期在苛刻工作环境下使用，必须要具有良好的室温高温力学性能，尤其要具备较高的热稳定性和高温蠕变性能，因为这些性能不仅决定了合金的使用寿命更决定了发动机的安全可靠性[3]，所以，对TA11合金材料的组织和性能关系的研究是十分必要的。

本文探讨了锻造工艺对TA11钛合金棒材显微组织及其力学性能的影响，对比分析了三种锻造工艺的显微组织、力学性能以及超声波探伤水平，为TA11钛合金棒材的工业生产及工艺改进提供理论参考和依据。

实验用材及方法

实验用材

根据实验要求，我们选用了经真空自耗电弧炉三次熔炼而成的TA11钛合金铸锭(φ720 mm)，名义成分为Ti-8Al-1Mo-1V，经金相法测得(α+β)/β相变温度为1030～1040℃。铸锭经β相区多火次锻造和α+β两相区多火次锻造至φ70 mm棒坯，其显微组织如图1所示，为不均匀β基体上分布着初生α相，初生α含量约在80%左右，边部组织与心部组织差异较大，边部为等轴加板条组织，心部为等轴组织，组织均匀性较差。

图1 φ70 mm棒坯高倍组织(R态)

实验方法

利用Sxp-13精锻机，将φ70 mm棒坯在三种锻造工艺下(见表1)，多道次锻造后，机加得到φ40 mm成品棒材。切取高倍试样，经磨制抛光后采用HF、HNO3、H2O混合液进行腐蚀，在OLYMPUS GX71型金相显微镜上观察显微组织。拉伸实验在德国的Zwick万能实验机上进行，蠕变性能在SANSGWT105高温蠕变持久实验机上进行。三批棒材参照GJB494—88标准要求，使用USD155型探伤仪，5Pφ38 mm探头，采用水浸法进行超声波无损检测。

表1 锻造工艺

实验结果分析

显微组织分析

经三种工艺锻造后，我们可以清楚地看到锻造温度对TA11钛合金棒材显微组织的影响比较明显，详见图2。经工艺A锻造后，棒坯中的板条α基本转化为等轴组织，但仍存在较多分布不均匀的长条α。初生α含量在80%左右，β基体上分布有少量的颗粒状次生α。棒材边部与心部的组织差异性较棒坯有所改善。经工艺B锻造后，组织已基本等轴化，约占50%左右的初生α均匀的分布在β基体上，次生α相增多，且形态转变为局部取样一致的细针状，组织均匀性好，详见图2(b1)和(b2)。经工艺C锻造后，棒材组织转变为典型的双态组织，约占20%左右的颗粒状初生α均匀的分布在β基体上，析出的细针状次生α显著增加，边部与心部组织一致性好，组织均匀性高，详见图2(c1)和(c2)。

综上所述，棒材组织的性能与锻造温度呈正相关关系。锻造温度较低时，锻造过程中棒材变形抗力较大，锻透性差，棒坯组织得不到充分的变形，原坯料组织中的长条α不能完全被破碎和等轴化，锻后棒材组织不均匀。而且温度较低时，棒坯中的α在加热阶段溶解较少，造成锻后组织初生α含量高，初生α形态以短棒状或大块状为主，β基体上分布的次生α析出较少。随着锻造温度的升高，棒材锻透性变好，棒材组织得到充分变形后均匀性显著提高。对比图1和图2就可发现，原坯料中的板条组织被完全破碎并转化为等轴组织或双态组织。同时，由于温度高，在加热阶段棒坯组织中α向β的相转变更易发生，使得锻后初生α的含量显著减少，β相含量明显增加。在回复再结晶过程中析出的局部取向一致分布的细针状次生α也明显增多。

由此，我们对TA11试样进行热处理，图3即为经(900～925℃/保温1h·AC)+(565～595℃/保温8h·AC)热处理后三种工艺的显微组织图片。

对比图2和图3可以看到，在上述热处理制度下对TA11试样进行固溶时效后，其显微组织与对应的锻态显微组织区别不明显，初生α含量与形态均与锻态组织相似，β基体上分布的次生α含量及形态也基本无变化。这说明TA11钛合金在远离相变点温度固溶时效时，显微组织构成与形态变化较小。

图2 TA11钛合金棒材不同部位的锻态显微组织

力学性能分析

对每批TA11钛合金棒材分别任取四支样棒，在样棒上切取试样后，经(900～925℃/保温1h·AC)+(565～595℃/保温8h·AC)热处理，对其力学性能进行分析，详见表2。

图3 TA11钛合金棒材退火态显微组织

表2 TA11钛合金棒材的力学性能

通过实验数据分析我们可以看到，三种工艺下TA11钛合金棒材的室温拉伸性能差异较小，强度区别不大，均满足标准要求。因等轴组织和双态组织的TA11钛合金棒材均具有良好的热稳定性[4]，所以经400℃，100 h热暴露后的热稳定性能也差异较小，但A工艺的蠕变性能大于0.2%，不满足产品标准的要求。而工艺B和C蠕变性能均小于0.2%，可满足产品标准要求，且工艺C表现出更好的高温蠕变性能。结合图2和图3分析认为，TA11钛合金棒材锻后组织中初生α和次生α的相对含量，以及次生α的形态对其蠕变性能有较大的影响。初生α含量较低时蠕变性能优于初生α含量较高时，分布在β基体上的次生α呈局部取向一致的细针状时蠕变性能更好。这是因为，显微组织中的条状α相比等轴α的抗蠕变能力较好。在缓慢的蠕变过程中，等轴组织的滑移变形是从个别α晶粒中开始的，随着应变量增加，滑移占据较多的α晶粒后向周围的β晶粒扩展，所以蠕变空洞形核较迟，但一旦形成空洞，即可迅速扩展而形成准解理断裂[3]。而双态组织中混乱交织分布的细针状次生α，则对蠕变滑移起到了较好的阻碍作用，即使空洞已经形成其扩展也较困难，因而较等轴组织表现出更好的抗蠕变性能。

超声波探伤特性

探伤杂波的产生来源于组织对声波的散射，所以杂波水平是合金组织不均匀性的反应[5，6]。从三批实验材料的超声波检测结果(详见表3)可以看出，工艺A的探伤杂波水平高于工艺B与C，说明其组织的均匀性较B、C差。这从图2也可以看出来，A的组织中存在长条或大块α，且边部与心部的组织存在一定差异。

表3 杂波水平检测结果

而通过工艺C得到的棒材在超声检测时杂波水平在φ0.8-12dB，完全可满足叶片用TA11钛合金棒材的产品标准要求。这也表明了提升TA11钛合金棒材的锻造温度，减小变形抗力增加棒材的锻透性，可有效提高其组织均匀性，提高其探伤水平。

结论

通过三种锻造工艺试验，综合比较分析不同工艺下TA11钛合金棒材在显微组织、力学性能以及超声波探伤水平上的试验数据，我们得出了以下结论：

1) 锻造温度对TA11钛合金棒材显微组织影响比较明显，温度较低时，棒材组织中初生α含量较高，析出次生α相较少；适当提高锻造温度后，初生α含量显著降低，析出细针状次生α相增加。

2) 初生α含量和分布于β基体上的次生α形态对蠕变性能有较大影响， 较少的初生α加细针状次生α组织可得到良好的抗蠕变性能。

3) 锻造温度升高，增加了TA11钛合金棒材的锻透性，长条或大块α被完全破碎后组织更加均匀，从而提高了超声波探伤水平。

[1] 朱康英，赵永庆，李佐臣，等. Ti811合金在不同温度和时间下的蠕变性能. 中国有色金属学报，1998, 8(增刊2)： 76-79.

[2] 陶春虎，刘庆泉，曹春晓，等. 航空用钛合金的失效及预防. 北京：国防工业出版社，2002.

[3] 王敏敏，赵永庆，周廉. 影响钛合金蠕变行为的因素分析. 稀有金属材料与工程，2002, 31(2)： 135-139.

[4] 赵永庆，朱康英，李佐臣，等. Ti811合金的热稳定性能. 稀有金属材料与工程，1997, 26(3)： 35-39.

[5] 赵爱国，史亦伟，张卫方，等. TA11钛合金棒材特性对比研究.材料工程，2003 (增刊)： 184-186.

[6] 马小怀，张延生，刘京州. 钛合金超声波检测中杂波产生原因分析. 稀有金属材料与工程，2005, 34(S3)： 677-679.