显微组织对TC11 钛合金锻件力学性能的影响

2020-02-25康聪，杨佩，李菁

世界有色金属 2020年23期

康聪，杨佩，李菁

（西部钛业有限责任公司，陕西西安 710201）

TC11 合金属于马氏体型的α+β 型热强钛合金，其名义成分为Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si。它具有比强度高，中温性能好，耐腐蚀性能好，疲劳强度大等优点，且可热处理强化，是制造航空发动机，高压压气机盘以及叶片等的主要材料，也被用于制造飞机上的重要承力部件[1，2]。合金内部组织决定了其最终的使用性能，合理的组织形貌组合可很大程度上改善材料的力学性能[3]。本文通过设计不同的热加工及热处理工艺获得了不同的显微组织形貌，研究分析了显微组织对TC11 锻件室温拉伸性能的影响。

1 试验材料与方法

试验用材料为西部钛业有限责任公司生产的TC11 钛合金棒材，相变点为1005℃～1010℃。试验用原材料通过不同的热加工或热处理工艺制取不同的显微组织形貌，显示金相组织所用腐蚀剂为10%HF+30%HNO3+70%H2O，腐蚀后在Stemi2000 型显微镜进行组织观察，并利用Image-ProPlus 软件进行初生α 相含量定量表征；随后进行室温拉伸性能测试，拉伸试样按GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》加工成Φ5mm 的标准试样并在1185 型材料试验机上进行试验。

2 试验结果及讨论

2.1 αp 对TC11 力学性能的影响

图1 为不同等轴αp含量的TC11 退火态组织，经Image-ProPlus 软件进行初生αp相含量定量表征，等轴αp相含量依次为：44%、39%、32%、40%。从图1 可以看出，H1、H2、H3 初生αp相含量呈递减趋势；H4 等轴αp相含量与H2 大致相当，但其尺寸、分布存在差别。H2 试样内部αp晶粒尺寸均匀一致，而H4 试样内部存在明显的“双套组织”，及存在两种尺寸级别的等轴α 晶粒。

图1 不同等轴αP 含量TC11 钛合金锻件显微组织

图2 给出了H1、H2、H3 三种TC11 锻件室温拉伸性能与等轴αp相含量的对应关系。由图2 可以看出，随着等轴αp相含量的增加，材料的强度降低，塑性略微升高。这是由于随着材料内部等轴αp相含量的增加，β 转变体含量减少，致使α/β 相界面含量下降，对于位错的钉扎作用减弱，降低了材料的强度，并提升了材料的塑性；另外，随着等轴αp含量的增加，材料内部的合金元素分配效应加剧，意味着此时β 转变体内部α 片层的Al 含量降低，导致β 转变体强度的下降，进而导致整体强度的下降，而由于材料的塑性不受屈服行为的影响，主要取决于α 晶团的大小。因此，合金元素分配效应对于塑性的影响非常小[4]；最后，随着等轴αp相含量的增加，材料的变形协调性增加，致使塑性略微增加。这三者的综合影响导致随着等轴αp相含量的增加，材料的强度降低，塑性略微升高。

图2 不同等轴αP 含量TC11 钛合金锻件室温拉伸性能

表1 则给出了H2 与H4 的室温拉伸性能比较。从表1 可以看出，H4 试样的屈服强度、延伸率明显优于H2，抗拉强度及端面收缩率基本相当。从显微组织分析可知，H4 试样的晶粒平均尺寸要小于H2 试样，根据Hall-Petch 公式：σ=σ0+kd^(-1/2)可知，平均晶粒尺寸越小，材料的屈服强度越高。这是由于此时晶界的数量增加，导致位错移动时的阻力增大，使得金属的变形抗力增加；另一方面，平均晶粒尺寸的减小意味着晶粒数目的增加，致使材料的塑性变形可以分散到更多的晶粒内进行，使得材料的变形协调性上升，致使延伸率提高。

表1 不同等轴αP 晶粒尺寸TC11 钛合金锻件室温拉伸性能

2.2 次生片层α相对TC11 力学性能的影响

图3 中H5、H6 为同一退火温度经不同冷却介质冷却后的显微组织。经Image-ProPlus 软件进行初生αp相含量定量表征，αp相含量大致相当，约为30%，晶粒尺寸约为14.8μm。从图3 可以看出，H5、H6 试样次生片层α 相形态存在明显差距，H5 试样中次生片层α 相呈短棒状，长宽比较小；H6 试样次生片层为细小的针状，长宽比高于H5试样。

图3 不同次生片层α 相形态TC11 钛合金锻件显微组织

表2 则给出了H4 与H5 的室温拉伸性能比较。从表2 可以看出，H6 试样的强度明显优于H5 试样，但其延伸率及断面收缩率略有下降。

在αp含量一定的情况下，β 转变体比例也随之固定。从几何学角度来讲，相同体积下，球形表面积最小。随着β转变体内部α 片层越脱离等轴状，即长宽比越大，意味着其表面积占比也越高，相界面也随之增加。相界面对于位错的钉扎效应限制了位错在晶粒内部的滑移，导致了位错移动时的阻力增大，使得金属的变形抗力增加，从而使得材料强度上升，塑性下降。