冷卻速率對(duì)TC11鈦合金鍛件力學(xué)性能的影響

張 哲，李進(jìn)元，任馳強(qiáng)，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。它具有較高的室溫強(qiáng)度，在500℃以下具有優(yōu)異的熱強(qiáng)性和良好的熱加工工藝性能，是一種重要的航空和宇航材料，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤、葉片和鼓筒等零件上[1，2]。

本文通過(guò)研究TC11餅材在不同冷卻介質(zhì)中冷卻后的顯微組織形貌，分析了冷卻速率對(duì)TC11餅材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Φ180mmTC11鈦合金棒材，相變點(diǎn)為1005℃～1010℃。試驗(yàn)用原材料在2500T壓機(jī)上制備出Φ295mm×190mm餅材，隨后進(jìn)行熱處理，熱處理制度見(jiàn)表1；最終在餅材端部切取金相與室溫拉伸試樣進(jìn)行測(cè)試。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；室溫拉伸試樣按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)行靜態(tài)室溫拉伸試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 冷卻速率對(duì)顯微組織的影響

圖1為TC11鍛件970℃保溫后經(jīng)不同冷卻介質(zhì)冷卻后的顯微組織形貌。

從圖1可以看出，三種組織均為雙態(tài)組織，但隨冷卻速率的不同，組織細(xì)節(jié)略有差異。

隨著冷卻速率的增加，初生α相尺寸、次生α片層寬度減小。經(jīng)空冷、油冷后的組織由等軸狀初生α相+短棒狀次生α相+β轉(zhuǎn)變體構(gòu)成，水冷后的組織由等軸狀初生α相+β轉(zhuǎn)變體構(gòu)成，且次生β轉(zhuǎn)變體內(nèi)α片層長(zhǎng)寬比明顯提升。鈦合金中β→α相轉(zhuǎn)變屬于由擴(kuò)散控制的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，因此隨著冷卻速率的增加，冷卻過(guò)程中α相的相生長(zhǎng)受到抑制，造成初生α相晶粒尺寸以及次生α片層寬度的下降。

圖1 不同冷卻速率下TC11鈦合金顯微組織

圖2 不同冷卻速率下TC11鈦合金鍛件室溫拉伸性能

2.2 顯微組織對(duì)室溫拉伸性能的影響

圖2給出了不同冷卻速率下TC11鍛件的室溫拉伸性能比較。

由圖2可以看出，隨著冷卻速率的增加，材料的強(qiáng)度增加，塑性略微下降。從顯微組織的對(duì)比可知，隨冷卻速率的增加，材料的晶粒尺寸逐漸下降，相界面增加。隨著相界面的增加，材料內(nèi)部對(duì)于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙能力增加，位錯(cuò)釘扎效應(yīng)加劇，致使材料的強(qiáng)度上升、塑性下降。另一方面，隨著冷卻速率的增加，次生α片層長(zhǎng)寬比增加。相比于短棒狀組織，片狀組織變形協(xié)調(diào)性更差，降低了材料的塑性。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)空冷、油冷后的組織由等軸狀初生α相+短棒狀次生α相+β轉(zhuǎn)變體構(gòu)成，水冷后的組織由等軸狀初生α相+β轉(zhuǎn)變體構(gòu)成；隨著冷卻速率的增加，初生α相尺寸、次生α片層寬度減小。

（2）隨著冷卻速率的增加，材料的室溫拉伸強(qiáng)度增加，塑性略微下降。