熱處理工藝對TC11鈦合金鍛坯組織性能及探傷水平的影響

文／宗師，劉保亮，馮璐，宋阿敏·西安三角防務股份有限公司

TC11 鈦合金相當于前蘇聯的BT9 鈦合金，名義成分為6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.25Si，屬高鋁當量馬氏體型α+β 兩相鈦合金。該合金具有優異的熱強性能，主要用于制作工作溫度在500℃以下的飛機發動機壓氣機盤、葉片和葉輪等關鍵零部件，是目前航空工業上應用最廣泛的鈦合金之一。

由于TC11 鈦合金發動機盤類鍛件標準要求探傷級別高(噪聲：φ0.8mm 平底孔不超過20%)，對鍛件組織均勻性提出了較高的要求。對于鈦合金材料的探傷，原材料的冶金質量、探傷方法、組織均勻性和方向性是影響探傷結果的主要因素，而組織的不均勻性是影響鈦合金超聲波探傷雜波水平的最主要因素。本文利用熱處理工藝影響組織，而組織又與性能、探傷結果密切相關這一原理，通過選用不同的熱處理工藝參數，研究了TC11 鈦合金鍛坯的高倍組織、室溫力學性能、探傷結果的變化規律，進而得到既能滿足探傷要求，又能使力學性能達到最佳的熱處理工藝參數。

試驗材料及方法

試驗材料

試驗采用西部超導材料科技有限公司生產的φ230mm 規格TC11 鈦合金棒材，熔煉方式為真空自耗電弧爐三次熔煉。原材料經過入廠復驗，各項指標滿足GJB 2218A-2018 標準要求。

用鋸床按工藝要求長度對棒材進行下料，隨后在高溫電爐中相變點β/(α+β)下30 ～40℃范圍內加熱并保溫一定時間后，按鍛造工藝要求出爐鍛造。

試驗方法

TC11 鈦合金鍛坯鍛造完成后，將4 件鍛坯按四種不同熱處理工藝進行處理。4 種熱處理工藝如下：

⑴鍛坯A：一次退火950℃，保溫2h，空冷，二次退火530℃，保溫6h，空冷。

⑵鍛坯B：一次退火960℃，保溫2h，空冷，二次退火530℃，保溫6h，空冷。

⑶鍛坯C：一次退火970℃，保溫2h，空冷，二次退火530℃，保溫6h，空冷。

⑷鍛坯D：一次退火980℃，保溫2h，空冷，二次退火530℃，保溫6h，空冷。

4 件TC11 鈦合金鍛坯經熱處理后，分別進行了水浸探傷、高倍組織檢查、室溫拉伸性能等測試。水浸探傷在以色列LS-200LP 型全自動超聲波C 掃描設備上進行，高倍組織檢查在OLYMPUS/GX53 型光學顯微鏡上進行，高倍腐蝕劑采用配比為V(HF):V(HNO3):V(H2O)=5:12:83 的Kroll 試劑；室溫力學性能測試在美國INSTRON 5985 型電子萬能材料試驗機上進行。

試驗結果及分析

熱處理工藝對TC11 鈦合金鍛坯高倍組織的影響

分別對四種熱處理工藝所得到的TC11 鈦合金鍛坯，在其對應的中心、R/2、邊緣各點取高倍試樣，得到各位置的高倍組織如表1 所示。

從表1 可以看出，TC11 鈦合金鍛坯在相變點β/(α+β)下進行雙重退火處理后，高倍組織由不同含量的初生α 相和轉變β 相組成，其中初生α 相呈球形、橄欖形、長條形、橢圓形，是典型的混合組織。隨著一次退火溫度的升高，高倍組織中初生α 相的含量呈降低趨勢，而轉變β 相含量呈增加趨勢。也就是說合金在相變點以下加熱時，隨著加熱溫度的升高，組織結構中α 相逐步向β 相轉變，溫度越高，轉變速度越快，即越接近相變點，相對溫度越敏感。

熱處理工藝對TC11 鈦合金鍛坯探傷結果的影響

分別對四種熱處理工藝所得到的TC11 鈦合金鍛坯進行水浸探傷，得到的探傷結果如表2 所示。

從表1 可以看出，TC11 鈦合金鍛坯熱處理后的探傷結果，隨著一次退火溫度的升高，噪聲水平逐漸升高，底波損失無明顯變化。且當一次退火溫度為980℃時，噪聲水平不滿足標準要求。這是因為隨著一次退火溫度的升高，造成了鍛坯內部組織均勻性和方向性的惡化，進而導致了噪聲水平逐漸升高甚至超標的現象。

熱處理工藝對TC11 鈦合金鍛坯室溫力學性能的影響

TC11 鈦合金鍛件經不同制度熱處理后室溫力學性能測試結果如表2 所示。

從表3 可以看出，TC11 鈦合金鍛坯在相變點(β/α+β)下進行雙重退火處理時，在二次退火溫度不變的前提下，隨著一次退火溫度的升高，TC11 合金鍛坯的室溫抗拉強度、屈服強度呈上升趨勢，但室溫塑性隨一次退火溫度升高呈下降趨勢。這是因為對于α + β 型雙相鈦合金來講，合金中的轉變β 相主要對強度起作用，而初生α 相主要對塑性起作用，也就是說合金在雙重退火處理后初生α 相越多(轉變β 相越少)合金塑性越好、強度越低；反之初生α相越少(轉變β相越多)合金塑性越差、強度越高。鈦合金在(β/α+β)轉變溫度以下一次退火時，隨著加熱溫度的升高，合金中的α 相逐漸向β 相轉變，即α 相數量減少、β 相數量增多，所以在隨后的二次退火后，就表現出一次退火溫度越高，強度越高，塑性越差；一次退火溫度越低，強度越低，塑性越好。

表1 TC11 鈦合金鍛坯不同熱處理工藝下的高倍組織

表2 TC11 鈦合金鍛坯不同熱處理工藝下的探傷結果

表3 TC11 鈦合金鍛坯不同熱處理工藝下的室溫力學性能

結束語

⑴相同鍛造工藝生產的四件TC11 鈦合金鍛坯，分別采用四種不同熱處理工藝進行雙重退火處理，隨著一次退火溫度的升高，鍛坯高倍組織中初生α 相含量呈下降趨勢、轉變β 相含量呈上升趨勢。

⑵TC11 鈦合金鍛坯不同熱處理工藝雙重退火后，隨著一次退火溫度的升高，其水浸探傷后的噪聲水平逐漸升高，底波損失無明顯變化。

⑶TC11 鈦合金鍛坯不同熱處理工藝雙重退火后，隨著一次退火溫度的升高，其室溫抗拉強度、屈服強度呈上升趨勢，室溫塑性呈下降趨勢。

⑷熱處理后的TC11 鈦合金鍛坯B 高倍組織、探傷水平、力學性能均滿足相關技術條件要求，且裕度較大、綜合性能最優。