發布日期：2024-2-23 10:32:43
1、前言
TC11鈦合金相當于前蘇聯的BT9，其名義成分為Ti－6.5Al－3.5Mo－1.5Zr－0.25Si，屬高鋁當量馬氏體型α+β兩相鈦合金。這種合金具有很高的強度，主要用于制作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［1］。
我國海洋浮體連接件一般用不銹鋼薄壁環材制作。為了降低浮體的重量，擬用TC11合金制作規格為φ630mm/φ530mm×300mm的連接件。由于該連接件要承受大的作用力，因此要求環材的力學性能達到Rm≥1100MPa、Rp0.2≥1000MPa、A≥10%、Z≥20%，這比GJB494A—2008標準中規定TC11葉片棒材的強度指標高出70MPa，且塑性指標相當。本研究通過熱處理的方式提高TC11合金薄壁環材的強度，以滿足海洋浮體的使用要求。
2、實驗
選用優質小顆粒海綿鈦、純鋁、純鋯及鉬中間合金作為實驗原料，按名義成分配料、壓制電極，經3次真空自耗電弧熔煉，得到TC11鈦合金鑄錠，其化學成分符合GB3620標準要求:Al6.0%～6.8%、Mo2.8%～3.8%、Zr1.0%～2.0%、Si0.20%～0.35%、Fe≤0.25%、C≤0.10%、N≤0.05%、O≤0.15%。鑄錠(α+β)/β相轉變溫度為990～1010℃。
將鑄錠加熱到相變點以上溫度保溫一定時間，出爐后在1250t水壓機上進行1～2火自由鍛鐓－拔變形，以增加單相區變形量。隨后在3150t水壓機上鍛造，加熱溫度為相變點以上30～100℃，同時合理控制鍛造工藝參數，β相區變形量大于70%。
單件制坯后在1250t水壓機上分多火次進行環材制備，有鐓粗、拔長、沖孔、擴孔整形和軋環等工藝，加熱溫度為相變點以下20～40℃，兩相區變形量達60%～90%。從環材上切取用于室溫力學性能測試的試樣坯料，分別選用5種固溶溫度、3種固溶冷卻方式和5種時效溫度進行熱處理研究，然后進行室溫拉伸試驗，確定最佳的熱處理制度。最后用確定的熱處理制度對環材整體進行熱處理，并對熱處理后的環材進行室溫力學性能測試和顯微相組織觀察。
3、結果與討論
3.1固溶溫度對TC11合金環材力學性能的影響
選取了850、880、920、950和980℃5種固溶溫度，時效制度為530℃×6h/AC的熱處理制度對TC11合金環材試樣進行處理。熱處理后試樣的力學性能測試結果見表1。
由固溶處理后試樣的力學性能測試結果可知:隨著固溶溫度的升高，TC11合金環材的屈服強度、抗拉強度和斷面收縮率相差不大，但當固溶溫度高于900℃時伸長率提高了30%～40%，提高幅度較大。綜合來看，950℃×1h/AC的固溶制度能夠使TC11合金環材的強度和塑性達到較好的匹配，但強度不能滿足要求。
3.2固溶冷卻方式對TC11合金環材力學性能的影響
選取固溶溫度為950℃，保溫1h，分別進行空冷、風冷、水冷等不同冷卻速度的熱處理實驗，時效制度為530℃×6h/AC。熱處理后試樣力學性能測試結果見表2。
對比3種冷卻方式對試樣力學性能的影響可知，隨著固溶冷卻速度的加快，試樣強度提高，且采用水冷方式時塑性下降明顯。其中，經風冷冷卻比空冷冷卻后的強度略有提高，塑性無明顯變化，采用水冷方式強度則提高了150～250MPa，塑性下降。
總之，風冷和空冷均不能使強度滿足要求，而采用水冷不能使塑性滿足要求，因此，不能通過單純改變冷卻方式使試樣力學性能滿足要求。
3.3時效溫度對TC11合金環材力學性能的影響
根據3.1節和3.2節結論，選擇高于900℃的固溶溫度及水冷的冷卻方式進行時效溫度實驗，這樣不僅可提高強度，而且不會過多的損傷塑性，因此，確定固溶制度為930℃×1.5h/WC。選取500、530、580、620和650℃5個時效溫度，時效熱處理時間均為6h，時效后空冷。熱處理后試樣力學性能測試結果見表3。
從表3可以看出，隨著時效溫度的升高，TC11合金環材的強度下降，塑性提高。當時效溫度低于580℃時，其塑性不能滿足環材力學性能的要求;當時效溫度大于600℃時，抗拉強度和屈服強度值下降較明顯，因此時效溫度不宜超過600℃。在930℃×1.5h/WC+580℃×6h/AC固溶時效處理后的強度比時效溫度大于580℃的強度高，塑性值相當，但塑性值沒有任何富余量，因此簡單的雙重熱處理不能滿足研究要求，需要對TC11合金環材進行三重熱處理。
3.4三重熱處理對TC11合金環材力學性能的影響
TC11合金薄壁環材第一重熱處理按3．1節結論選擇950℃×1h/AC固溶處理，主要目的是調整初生α相和轉變β之間的比例，達到強度和塑性的較好配比，提高塑性值 ［2］。第二重熱處理按3．2節結論選擇930℃×1.5h/WC固溶處理，使室溫拉伸強度提高20%～30%，進行固溶強化。第三重熱處理按3．3節結論選擇580℃×6h/AC時效處理，起彌散強化作用，室溫拉伸強度略有提高，塑性保持不變。所以最終的熱處理制度為950℃×1h/AC+930℃×1.5h/WC+580℃×6h/AC。表4為TC11合金薄壁環材試樣和整體經過三重熱處理后的力學性能。
從表4可以看出，TC11合金環材試樣經三重熱處理后的強度較雙重熱處理試樣的強度相當，塑性提高;整體熱處理比試樣熱處理的強度值低、塑性值高，這是因為整體熱處理的冷卻速度較試樣熱處理慢，與3.2節分析結果一致。
3.5顯微組織
TC11合金薄壁環材經過950℃×1h/AC+930℃×1.5h/WC+580℃×6h/AC整體熱處理后，從環材上直接取樣觀察顯微組織，結果見圖1。由圖1可見，環材整體經三重熱處理后的顯微組織由等軸α相和β轉變組織組成，α相分布均分，無長條和大塊α相。這種組織狀態具有優良的強度和塑性匹配［3］。
4、結論
規格為φ630mm/φ530mm×300mm的TC11合金薄壁環材通過950℃×1h/AC+930℃×1.5h/WC+580℃×6h/AC三重熱處理，可以使室溫拉伸性能達到Rm≥1100MPa、Rp0.2≥1000MPa、A≥10%、Z≥20%。顯微組織由等軸α相和β轉變組織組成，α相分布均分，無長條和大塊α相。
參考文獻
［1］中國航空材料手冊編輯委員會．中國航空材料手冊:銅合金及鈦合金［M］．北京:中國標準出版社，2001:147－173．
［2］唐光昕，朱張校．TC11合金在不同熱處理條件下的顯微組織分析［J］．稀有金屬，2002(3):21－24．
［3］張寶昌．有色金屬及其熱處理［M］．西安:西北工業大學出版社，1993．