鈦及鈦合金材料因其自身的優(yōu)異特性，如密度低，耐低溫、耐高溫、比強度高、耐腐蝕性佳等諸多優(yōu)點成為眾多學者的研究對象[1-3]。鈦及鈦合金材料不僅在航空航天、船舶制造、化工、兵器等工業(yè)領域廣泛應用，在超導材料領域、醫(yī)學材料領域也發(fā)揮著重要作用[4。而TC11鈦合金作為眾多α+β型熱強鈦合金中熱強性最好的合金之一，是新型航空裝備上開始應用的一種新型鈦合金，具有較高室溫強度及良好的熱加工工藝性能，主要應用于航空發(fā)動機壓氣機盤、葉片、鼓筒及飛機結(jié)構件等零件[7-10]。隨著航空領域技術的不斷發(fā)展,航空零件的制造對鈦合金的性能提出了較高的要求,其性能與材料內(nèi)部組織結(jié)構密切相關，通過采用合適的熱處理工藝進行內(nèi)部顯微組織的調(diào)控，可獲得具有優(yōu)異組織性能的鈦合金零件[11-13]。

目前國內(nèi)外學者已在熱處理制度對TC11的相演變行為及力學性能方面有了大量研究，如王金惠等[14通過采取正交實驗法，試驗出了固溶處理與時效處理的最佳處理溫度與時間；王宏權等[15]研究了β鍛造溫度及固溶溫度對組織和力學性能的影響，結(jié)果表明，固溶溫度的升高會導致初生α相含量減少，合金強度下降。但大量文獻中其高溫性能與組織演變之間的內(nèi)在關系研究較少。本文以TC11鈦合金為研究對象，通過改變熱處理制度，研究不同熱處理工藝下TC11鈦合金顯微組織結(jié)構與高溫力學性能之間的內(nèi)在聯(lián)系,為進一步對該合金的應用及發(fā)展提供基本參數(shù)和性能指標。

1、實驗材料與方法

1.1實驗材料

實驗所用TC11合金采用粒度適度的海綿鈦、海綿鋯、鋁鉬合金、鈦硅合金、二氧化鈦、鋁豆等。按名義配比進行預混，將混料均勻的原料壓制成電極塊，再將電極塊按照混料順序交叉排列進行真空焊接，經(jīng)過3次真空熔煉得到鑄錠，經(jīng)開壞、鍛造及摔圓工藝加工成Φ300mm的棒材(相變點為1010~1015℃)。棒材材料的化學成分見表1。

1.2實驗方法

對TC11合金進行熱處理(熱處理制度見表2)。經(jīng)熱處理后的試樣采用徠卡金相顯微鏡(LEICADM2700M)觀察微觀組織形貌特征,并獲取金相組織照片。采用萬能試驗機對TC11棒材進行室溫拉伸試驗和500、700、900℃高溫拉伸試驗。

2、結(jié)果與分析

2.1熱處理溫度對顯微組織的影響

圖1是TC11鈦合金不同退火工藝處理后的顯微組織照片，圖1a~c的處理工藝分別是950℃×2h，AC+530 ℃×6h, AC,960 ℃×2 h, AC+530 ℃ ×6 h,AC,970 ℃x2 h,AC+530℃×6 h,AC。由圖可見,經(jīng)熱處理后,TC11鈦合金的顯微組織由初生等軸α相、針狀次生α相和β相組成。隨著熱處理溫度的逐漸升高，初生等軸α相的晶粒尺寸增大，百分含量占比逐漸減小，β相含量占比逐漸增大，并且伴隨著針狀次生α相的增多。這是因為在熱處理溫度接近相變點的過程中，初生等軸α相的熱穩(wěn)定性下降，隨著溫度的升高逐漸溶解，使得合金中的初生等軸α相減少,β相含量增大，析出針狀次生α相的驅(qū)動力增強，從而使得冷卻過程中針狀次生α相含量的升高且細小彌散；同時未溶解的的初生等軸α相析出新的晶核，并逐漸長大[16]。

2.2熱處理溫度對室溫力學性能的影響

表3是不同熱處理制度下TC11的室溫力學性能數(shù)據(jù)。可以發(fā)現(xiàn)，隨著熱處理溫度的升高，抗拉伸強度(Rm)和屈服強度(Rpo.2)呈下降趨勢,斷裂伸長率(A)和斷面收縮率(Z)呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。其次,熱處理A制度(950℃×2 h,AC+530℃×6 h,AC)和熱處理 B制度(960℃×2 h, AC+530℃×6 h, AC)下的TC11合金抗拉強度和屈服強度相差不大，但是斷裂伸長率與斷面收縮率方面有明顯差異，在熱處理B制度下TC11合金會獲得更高的塑性，因此在熱處理 B 制度(960 ℃×2 h, AC+530 ℃×6 h, AC)下會獲得良好的強塑性匹配，此時Rm為1089MPa，Rpo2為976MPa,A為19%,Z為51%。這是由于隨著固溶溫度的增大，等軸初生α相晶粒尺寸增大,所占含量比例下降，導致α/β相界面減少，對位錯運動的阻礙作用降低，錯位塞積較少，使合金強度降低，塑性增大[17]；但是隨著溫度的繼續(xù)升高，針狀次生α相的增多,兩相間界面增多,起到強化作用，使得合金的強度升高，塑性下降，此時存在兩種機制的競爭作用。

2.3熱處理溫度對高溫力學性能的影響

圖2是不同熱處理制度下對TC11高溫力學性能的影響，表4是不同熱處理制度下TC11的高溫力學性能數(shù)據(jù)?？梢园l(fā)現(xiàn)，在同一熱處理制度下，隨著測試溫度的升高，合金R㎡和Rpo2呈下降趨勢,A和Z呈現(xiàn)升高的趨勢。這主要與晶粒及晶界強度隨溫度升高變化幅度不同有關，在室溫或較低溫度下，金屬材料的塑性變形主要通過晶內(nèi)滑移和李晶兩種機制進行，晶粒邊界是位錯運動的阻礙，致使塑性變形抗力增大；在高溫下，不會產(chǎn)生李晶變形，也不會出現(xiàn)在較低溫度下由于李晶或位錯塞積導致的脆性解理斷裂，高溫下晶界會產(chǎn)生黏滯性流動，發(fā)粒沿晶界的相對滑動，并產(chǎn)生擴散變，導致合金強度下降,塑性增大[8]。

同時，對比不同熱處理制度下的高溫力學性能數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)500℃高溫下，熱處理A制度下合金的力學性能最優(yōu),Rm為771MPa,Rpo2為584MPa,A為19%,Z為71%。相比于熱處理C制度下處理分別提高了8.2%，6.3%，35%，73%。但是，當測試溫度高于500℃時，熱處理C制度下的合金綜合性能卻是最好的，強塑性匹配比較優(yōu)異。結(jié)合不同熱處理制度下合金的顯微組織變化，發(fā)現(xiàn)晶粒越細小的合金,高溫強度反而降低,與室溫力學性能恰恰相反。這是因為晶粒越細小，晶界在高溫下越容易發(fā)生粘滯性流動，進而進行擴散蠕變，導致合金強度降低，塑性增大；而500℃高溫時，合金在開始發(fā)生蠕變時易發(fā)生應變硬化,存在強塑性的競爭關系，隨著溫度的升高，蠕變進一步加強，合金強度降低，從而塑性開始增大[19]。

2.4高溫拉伸斷口分析

圖3是不同熱處理制度下TC11的高溫拉伸斷口照片，其中圖3a和c分別是熱處理制度A下500和900℃高溫拉伸斷口照片，圖3b和d分別是熱處理制度C下500和900℃高溫拉伸斷口照片。可以看出500℃高溫拉伸斷口照片部分顯現(xiàn)為“臺階”狀的裂痕，呈現(xiàn)部分韌性斷裂特征，但不是很明顯,其斷口形貌為解理斷裂，表現(xiàn)為韌性較差；而900℃高溫拉伸斷口照片呈現(xiàn)出大小不等的韌窩狀結(jié)構,為韌性斷裂特征。另外,對比圖3a和b可以發(fā)現(xiàn)，在熱處理制度A下,500℃高溫拉伸斷口形貌相對熱處理制度C呈現(xiàn)更多的韌性斷裂特征,結(jié)合力學性能看出，熱處理A制度下的強塑性匹配較為優(yōu)異。對比圖3c和d可以發(fā)現(xiàn),在熱處理制度C下，900℃高溫拉伸斷口形貌相對熱處理制度C呈現(xiàn)更多的韌性斷裂特征，表現(xiàn)為韌窩更大、更深,說明在900℃高溫拉伸下，此時處理制度C可獲得更高的韌性特征，結(jié)合力學性能和顯微組織照片分析，進一步驗證了晶粒越細小，晶界在高溫下越容易發(fā)生黏滯性流動，進而進行擴散蠕變，導致合金強度降低,塑性增大。

3、結(jié)論

(1)隨著熱處理溫度的逐漸升高,初生等軸α相的晶粒尺寸增大，百分含量占比逐漸減小，β相含量占比逐漸增大，并且伴隨著針狀次生α相的增多。

(2)在室溫使用環(huán)境下,TC11合金在熱處理B制度(960℃×2h,AC+530℃×6h,AC)下會獲得良好的強塑性匹配,此時抗拉伸強度為1089MPa,屈服強度為976MPa，斷裂伸長率為19%，斷面收縮率為51%。

(3)在500℃高溫使用環(huán)境下，熱處理A制度(950℃×2 h,AC+530℃x6 h,AC)下合金的力學性能最優(yōu)，抗拉伸強度為771MPa,屈服強度為584MPa，斷裂伸長率為19%,斷面收縮率為71%，相比于熱處理 C 制度(970 ℃×2 h,AC+530 ℃×6 h,AC)下處理分別提高了8.2%,6.3%,35%,73%。

(4)在500℃以上使用環(huán)境下，晶粒越細小的合金，高溫強度反而降低，與室溫力學性能恰恰相反，此時為獲得良好的強塑性匹配，選用熱處理制度B(960 ℃×2 h, AC+530 ℃×6 h, AC)最佳。

參考文獻：

[1］趙永慶.我國創(chuàng)新研制的主要船用鈦合金及其應用[J].中國材料進展,2014,33(7):398-404.

ZHAO Y Q, The new main titanium alloys used for shipbuilding developed in China and their applications [J]. Materials China,2014, 33(7): 398-404.

[2] LANG B, ZHANG T C, LI X H, GUO D. Microstructural evolution of a TC11 titanium alloy during linear friction welding[JJ. Journal of Materials Science, 2010, 45(22): 6218-6224.

[3]潘婷，李東亞，成明，吳一帆，王爽，劉海青，李天煜.Ti-6A1-4V鈦合金熱處理性能的研究進展[].熱加工工藝，2023,52(8):12-15.

PAN T, LI D Y, CHENG M, WU Y F, WANG S, LIU H Q, LI T Y. Research progress in heat treatment properties of Ti-6Al-4V titanium alloy[Jj. Hot Working Technology, 2023, 52(8): 12-15.

[4]]于振濤，余森，程軍，麻西群.新型醫(yī)用鈦合金材料的研發(fā)和應用現(xiàn)狀[J].金屬學報，2017,53(10)：1238-1264.

YU Z T, YU S, CHENG J, MA X Q. Development and application of novel biomedical titanium alloy materials[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2017, 53(10): 1238-1264.

[5]CORDEIRO J M, BARAO V A R. Is there scientific evidence favoring the substitution of commercially pure titanium with titanium alloys for the manufacture of dental implants? [1]. Materials Science & Engineering: C, 2017, 71: 1201-1215.

[6] QIU J J, YANG T T, LI Y F, QIAN W H, LIU X Y. Au@Ag@Ptcore-shell nanorods regulating Ag release behavior endow titanium antibacterial activity and biocompatibility [3]. Rare Metals,2021,41: 630-638.

[7]邵娟.鈦合金及其應用研究進展[].稀有金屬與硬質(zhì)合金,2007(4): 61-65.

SHAO J. Application and development of titanium alloys[J]. Rare Metals and Cemented Carbides, 2007(4): 61-65.

[8］唐光聽，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(2)：146-148.

TANG G T, ZHU Z X. Microstructure analysis of TC11 alloy by different heat treatment conditions [J]. Rare Metals, 2002 (2):146-148.

[9]吳晨，馬保飛，趙耕岑，李敏娜，任軍帥，于奎.延時淬火對航天緊固件用TC4鈦合金組織和性能的影響[].金屬熱處理,2023,48(12): 135-139.

WU C, MA B F, ZHAO G C, LI M N, REN J S, YU K. Effect of delayed quenching on the microstructure and properties of TC4 titanium alloy for aerospace fasteners[J]. Metal Heat of Treatment,2023, 48(12): 135-139.

[10]楊培智，張鉤，楊海歐.TC4 鈦合金混合制造技術的研究與進展[J].鑄造技術,2023,44(11):977-987.

YANG P Z, ZHANG J, YANG H O. Research and progress of the hybrid manufacturing of TC4 titanium alloy[J. Foundry Technol0gy, 2023, 44(11): 977-987.

[11]王金惠.TC11鈦合金的高溫變形行為及熱處理工藝對合金組織性能的影響[D].長沙：中南大學,2010.

WANG J H. The high-temperature deformation behavior of TC11 titanium alloy and the influence of heat treatment process on the microstructure and properties of the alloy [D]. Changsha: Central South University, 2010.

王華，等：熱處理制度對TC11鈦合金高溫力學性能的影響gy, 2017(13): 160-162, 165.

[16]商國強，張曉泳，王新南，李超，甘雪萍，朱知壽.顯微組織對TB17鈦合金高周疲勞性能的影響[J].稀有金屬材料與工程，2024, 53(2): 529-536.

SHANG G Q, ZHANG X Y, WANG X N, LI C, GAN X P, ZHU Z S, ZHOU K C. Influence of microstructure on high cycle fatigue properties of TB17 titanium alloy[J. Rare Metal Materials and Engineering,2024, 53(2): 529-536.

[17]李瑞鋒，張智鑫，唐斌，何書林，李金山.TC18鈦合金大規(guī)格棒材熱變形行為研究進展[J].鑄造技術,2024,45(4):316-327.

LI R F, ZHANG Z X, TANG B, HE S L, LI J S. Research progress on the thermal deformation behavior of TC18 titanium alloy large-size bars[J]. Foundry Technology, 2024, 45(4): 316-327.

[18]］米磊，張晨輝，何泰，和蓉，樊江昆，薛祥義.TC21鈦合金固溶時效處理對合金強韌化性能的影響[].鑄造技術,2023,44(10):929-934.

MI L, ZHANG C H, HE T Q, HE R, FAN J K, XUE X Y. Effect of solid solution and aging treatment on the strength and toughness of TC21 titanium alloy[J. Foundry Technology, 2023, 44(10): 929-934.

[19]劉運璽，楊毅，黃濤，周琳，陳瑋，李志強，張晨輝.固溶時效處理對新型超高強鈦合金組織和力學性能的影響[J].航空制造技術, 2023, 66(8): 93-99.

LIU Y X, YANG Y, HUANG T, ZHOU L, CHEN W, LI Z Q,ZHANG C H. Effect of solution aging treatment on microstructure and mechanical properties of a new ultra-high strength titanium alloy[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2023, 66(8): 93-99

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