1、前言

TC11鈦合金相當(dāng)于前蘇聯(lián)的BT9，其名義成分為Ti－6.5Al－3.5Mo－1.5Zr－0.25Si，屬高鋁當(dāng)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(fā)動機壓氣機盤、葉片和葉輪等關(guān)鍵零部件，是目前航空工業(yè)上應(yīng)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(huán)材制作。為了降低浮體的重量，擬用TC11合金制作規(guī)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(huán)材的力學(xué)性能達(dá)到Rm≥1100MPa、Rp0.2≥1000MPa、A≥10%、Z≥20%，這比GJB494A—2008標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定TC11葉片棒材的強度指標(biāo)高出70MPa，且塑性指標(biāo)相當(dāng)。本研究通過熱處理的方式提高TC11合金薄壁環(huán)材的強度，以滿足海洋浮體的使用要求。

2、實驗

選用優(yōu)質(zhì)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(jīng)3次真空自耗電弧熔煉，得到TC11鈦合金鑄錠，其化學(xué)成分符合GB3620標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)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(jìn)行1～2火自由鍛鐓－拔變形，以增加單相區(qū)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(shù)，β相區(qū)變形量大于70%。

單件制坯后在1250t水壓機上分多火次進(jìn)行環(huán)材制備，有鐓粗、拔長、沖孔、擴孔整形和軋環(huán)等工藝，加熱溫度為相變點以下20～40℃，兩相區(qū)變形量達(dá)60%～90%。從環(huán)材上切取用于室溫力學(xué)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(jìn)行熱處理研究，然后進(jìn)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(huán)材整體進(jìn)行熱處理，并對熱處理后的環(huán)材進(jìn)行室溫力學(xué)性能測試和顯微相組織觀察。

3、結(jié)果與討論

3.1固溶溫度對TC11合金環(huán)材力學(xué)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(huán)材試樣進(jìn)行處理。熱處理后試樣的力學(xué)性能測試結(jié)果見表1。

由固溶處理后試樣的力學(xué)性能測試結(jié)果可知:隨著固溶溫度的升高，TC11合金環(huán)材的屈服強度、抗拉強度和斷面收縮率相差不大，但當(dāng)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(huán)材的強度和塑性達(dá)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(huán)材力學(xué)性能的影響

選取固溶溫度為950℃，保溫1h，分別進(jìn)行空冷、風(fēng)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(xué)性能測試結(jié)果見表2。

對比3種冷卻方式對試樣力學(xué)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(jīng)風(fēng)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(fēng)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(xué)性能滿足要求。

3.3時效溫度對TC11合金環(huán)材力學(xué)性能的影響

根據(jù)3.1節(jié)和3.2節(jié)結(jié)論，選擇高于900℃的固溶溫度及水冷的冷卻方式進(jìn)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(xué)性能測試結(jié)果見表3。

從表3可以看出，隨著時效溫度的升高，TC11合金環(huán)材的強度下降，塑性提高。當(dāng)時效溫度低于580℃時，其塑性不能滿足環(huán)材力學(xué)性能的要求;當(dāng)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(dāng)，但塑性值沒有任何富余量，因此簡單的雙重?zé)崽幚聿荒軡M足研究要求，需要對TC11合金環(huán)材進(jìn)行三重?zé)崽幚怼?/p>

3.4三重?zé)崽幚韺C11合金環(huán)材力學(xué)性能的影響

TC11合金薄壁環(huán)材第一重?zé)崽幚戆?．1節(jié)結(jié)論選擇950℃×1h/AC固溶處理，主要目的是調(diào)整初生α相和轉(zhuǎn)變β之間的比例，達(dá)到強度和塑性的較好配比，提高塑性值 ［2］。第二重?zé)崽幚戆?．2節(jié)結(jié)論選擇930℃×1.5h/WC固溶處理，使室溫拉伸強度提高20%～30%，進(jìn)行固溶強化。第三重?zé)崽幚戆?．3節(jié)結(jié)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(huán)材試樣和整體經(jīng)過三重?zé)崽幚砗蟮牧W(xué)性能。

從表4可以看出，TC11合金環(huán)材試樣經(jīng)三重?zé)崽幚砗蟮膹姸容^雙重?zé)崽幚碓嚇拥膹姸认喈?dāng)，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(jié)分析結(jié)果一致。

3.5顯微組織

TC11合金薄壁環(huán)材經(jīng)過950℃×1h/AC+930℃×1.5h/WC+580℃×6h/AC整體熱處理后，從環(huán)材上直接取樣觀察顯微組織，結(jié)果見圖1。由圖1可見，環(huán)材整體經(jīng)三重?zé)崽幚砗蟮娘@微組織由等軸α相和β轉(zhuǎn)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(tài)具有優(yōu)良的強度和塑性匹配［3］。

4、結(jié)論

規(guī)格為φ630mm/φ530mm×300mm的TC11合金薄壁環(huán)材通過950℃×1h/AC+930℃×1.5h/WC+580℃×6h/AC三重?zé)崽幚恚梢允故覝乩煨阅苓_(dá)到Rm≥1100MPa、Rp0.2≥1000MPa、A≥10%、Z≥20%。顯微組織由等軸α相和β轉(zhuǎn)變組織組成，α相分布均分，無長條和大塊α相。

參考文獻(xiàn)

［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(biāo)準(zhǔn)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(yè)大學(xué)出版社，1993．

相關(guān)鏈接