顯微組織對TC11鈦合金鍛件力學(xué)性能的影響

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，且可熱處理強(qiáng)化，是制造航空發(fā)動機(jī)，高壓壓氣機(jī)盤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] 。本文通過設(shè)計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TC11鈦鍛件室溫拉伸性能的影響。

1、試驗材料與方法

試驗用材料為西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的TC11鈦合金棒材，相變點為1005℃～ 1010℃。試驗用原材料通過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)行室溫拉伸性能測試，拉伸試樣按GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》加工成Φ5mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣并在1185型材料試驗機(jī)上進(jìn)行試驗。

2、試驗結(jié)果及討論

2.1 α p 對TC11力學(xué)性能的影響

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

圖2給出了H1、H2、H3三種TC11鍛件室溫拉伸性能與等軸α p 相含量的對應(yīng)關(guān)系。由圖2可以看出，隨著等軸α p 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α p 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，對于位錯的釘扎作用減弱，降低了材料的強(qiáng)度，并提升了材料的塑性 ；另外，隨著等軸α p 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)對于塑性的影響非常小[4]；最后，隨著等軸α p 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α p 相含量的增加，材料的強(qiáng)度降低，塑性略微升高。

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=σ 0 +kd^(-1/2)可知，平均晶粒尺寸越小，材料的屈服強(qiáng)度越高。這是由于此時晶界的數(shù)量增加，導(dǎo)致位錯移動時的阻力增大，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?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α p 相含量定量表征，α p 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，長寬比較??；H6試樣次生片層為細(xì)小的針狀，長寬比高于H5試樣。

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。

表2 TC11 鈦合金鍛件室溫拉伸性能

在α p 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。相界面對于位錯的釘扎效應(yīng)限制了位錯在晶粒內(nèi)部的滑移，導(dǎo)致了位錯移動時的阻力增大，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。

3、結(jié)論

（1）隨著α p 相含量的增加，材料的強(qiáng)度降低，塑性略微升高 ；等軸α p 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相長寬比升高，材料的強(qiáng)度上升、塑性下降。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙民權(quán)，董健．固溶溫度對TC11合金組織和性能的影響[J]．金屬熱處理，2015，40（04）：139-141．

[2] 姚夢，劉勇，朱景川．TC11鈦合金雙重?zé)崽幚砉に囋O(shè)計[J]．熱處理技術(shù)與裝備，2016，37（05）：65-70．

[3] 顏茜，舒鑫柱，祝菲霞，等．TC11鈦合金4種典型組織靜態(tài)力學(xué)性能對比研究[J]．云南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，38（01）：99-104．

[4] J.C.Williams著．雷霆譯．鈦[M]．北京 ：冶金工業(yè)出版社，2011．