TC21钛合金微观组织对准静态和动态压缩性能的影响

杨红斌，李萌蘖，卜恒勇

(昆明理工大学材料科学与工程学院，云南 昆明 650093)

1 前 言

由于国内航空系统对钛合金损伤容限设计的需求[1]，我国自主研发了高强韧损伤容限型TC21钛合金，其名义成分为Ti-6Al-3Mo-2Nb-2Sn-2Zr-1Cr[2]，是目前我国综合力学性能匹配较好的钛合金材料[3, 4]。该合金在实际的应用过程中，不可避免会遇到强冲击作用而发生高速变形，然而钛合金在高速冲击载荷作用下表现出的动态力学性能与静载荷作用下的不同[5-8]。为加快TC21钛合金的工程应用，研究其在不同加载条件下的力学性能十分必要。另外，对于不同组织状态的钛合金材料，性能存在很大的差异[9-11]。为此，本文针对3种组织状态的TC21钛合金，研究微观组织对准静态和动态压缩性能的影响，为该合金的实际应用提供一定的参考。

2 实 验

2.1 实验材料

试验用TC21钛合金为Ф13.8 mm的棒材，微观形貌为典型的等轴组织，化学成分如表1所示，β转变温度为(960±5)℃。为获得双态组织和片层组织，采用的热处理工艺分别为：910 ℃/1 h, AC + 570 ℃/4 h, AC 和972 ℃/1 h, WQ + 890 ℃/1 h, AC + 590 ℃/4 h, AC。

2.2 压缩试验方法

准静态压缩试验在万能材料试验机上进行，应变速率为0.001 s-1，试样尺寸为Ф7 mm×10 mm。动态压缩试验采用分离式Hopkinson压杆技术，其试验装置及原理参见文献[12]和[13]，采用200 mm撞击杆，冲击气压分别为0.05，0.06，0.08和0.10 MPa，名义应变速率约为1500，2000，2500和3200 s-1，试样尺寸为Ф4 mm×4 mm，压缩试验均在室温下进行。

3 结果与讨论

3.1 微观组织分析

通过不同的热处理工艺处理后，获得等轴组织、双态组织和片层组织的TC21钛合金试样，具体组织形貌分别如图1所示。图1a中，组织由大量的等轴状α相和少量β转变组织构成，等轴α颗粒之间排列紧密，尺寸相对较大，为典型的等轴组织。图1b为双态组织，组织中含有少量的等轴α相，尺寸较小，β基体上分布有大量的细小针状α相，并交错排列。图1c为片层组织形貌，组织中存在尺寸较大的α片，各片丛内α条交错编织。

表1 TC21钛合金的化学成分

图1 不同工艺热处理后获得的TC21钛合金组织：(a)等轴组织，(b)双态组织，(c)片层组织Fig.1 Microstructures of TC21 titanium alloys obtained after different heat-treatments: (a) equiaxed, (b) binary and (c) lamellar

3.2 准静态压缩性能分析

TC21钛合金等轴、双态和片层组织试样对应的准静态压缩真应力-应变曲线如图2所示。从图中可以看出，3种组织试样在压缩变形初期，应力随着应变的增加呈线性增大，此时处于弹性变形阶段。弹性阶段过后，所有曲线中均未出现明显的屈服点。采用0.2%塑性应变对应的应力(σ0.2)作为屈服应力，得到3种组织试样的屈服应力分别为922，965和942 MPa。在塑性变形阶段，三者的应变硬化均较弱，其中等轴组织具有最好的塑性，断裂应变达到0.323，但其断裂强度最低，约为1284 MPa；双态组织断裂强度较高，达到了1374 MPa，此时断裂应变为0.238；片层组织的断裂强度约为1357 MPa，明显高于等轴组织，与双态组织相当，同时具有较好的塑性，断裂应变约为0.266。因此，片层组织具有较好的强塑性匹配。

图2 TC21钛合金3种组织试样的准静态压缩真应力-应变曲线Fig.2 Quasi-static compression true stress-strain curves of the three kinds of microstructure of TC21 titanium alloy

对于两相钛合金来说[14]，等轴组织具有较好的塑性，这是由于等轴α相有利于材料的塑性变形，而且α晶粒分布越均匀，相互协调性越好。双态组织中，β基体中分布的细小次生α条对塑性变形非常不利，使其强度较高，塑性较差。在片层组织中，尺寸较大的α片的存在，使其在一定的变形范围内具有很好的协调性，但在α片交界处变形不易进行，从而具有较高的强度。因此片层组织具有相对较好的塑性，同时还能具有较高的强度。

3.3 动态压缩性能分析

等轴、双态和片层组织的TC21钛合金试样在不同应变率压缩下的动态真应力-应变曲线如图3所示。

可以看出，3种组织试样在1500 s-1应变率压缩下，曲线均未出现突然卸载，因此试样均没有发生破坏；随着应变率提高到2000 s-1时，等轴组织试样对应的应力-应变曲线为正常卸载，其余两种组织试样为突然卸载；当应变率再增加，达到2500和3200 s-1时，曲线均出现突然卸载，3种试样均发生了破坏。由此可见，TC21钛合金的组织中，抗冲击性能最好的是等轴组织，最差的是双态组织，片层组织居于前两者之间。在高应变率下，等轴组织的动态流变应力相对较低，但其具有较好的动态塑性应变；双态组织虽然表现出较高的流变应力，但其失效前的塑性应变较差；片层组织不仅表现出较高的流变应力同时还具有较大的断裂应变，为三者中强塑性匹配最佳。

图3 TC21钛合金3种组织试样的动态压缩真应力-应变曲线Fig.3 Dynamic compressiontrue stress-strain curves of the three kinds of microstructure of TC21 titanium alloy

已有的研究表明，等轴α相具有抵抗裂纹萌生的能力，对钛合金的塑性和冲击性能有利；片状β转变组织则可以有效地抵抗裂纹的扩展[15, 16]。因此，在本研究中，等轴组织表现出较低的流变应力和较大的断裂应变，抗冲击性能较好；双态组织与等轴组织正好相反；片层组织同时表现出较大的断裂应变和较高的流变应力。

4 结 论

(1)通过不同工艺的热处理，能够获得等轴、双态和片层组织状态的TC21钛合金。

(2)3种组织的试样的准静态压缩性能各不相同；等轴组织的塑性最好，但其强度低；双态组织强度较高，而塑性较差；三者中片层组织具有较好的强塑性匹配。

(3)在1500～3200 s-1应变率压缩下，等轴组织的动态流变应力较低，但塑性应变较好，具有较好抗冲击性能，而双态组织正好相反，片层组织则表现出强塑性最佳匹配的优异综合性能。