TC11钛合金管材的热处理工艺研究

代春　朱栓平　凤伟中　闫勇　谢林均

摘 要：航空及兵器对材料的强度和塑性要求较高，要求抗拉强度Rm为≥1030MPa，屈服强度Rp0.2≥910MPa，延伸率A≥8%，断面收缩率Z≥23%。采用固溶+时效热处理工艺，对热挤压成形的Φ180mm×25mm×L TC11钛合金管进行热处理，研究了热处理制度对材料显微组织和力学性能的影响，探讨了它们之间的影响规律。结果表明，采用固溶+时效热处理在相同的时效制度下，随着固溶温度的升高，合金中初生α相的含量逐渐减小晶粒尺寸逐渐增大，β相含量增加。当温度达到1040℃时出现粗大的原始β晶粒，在原始β晶界上有连续的α相细长的薄片状α相；采用950-970℃固溶合金的力学性均能满足材料的要求。

关键词：TC11钛合金；拉伸性能；固溶时效；热处理

TC11钛合金的名义化学成分为Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si，是一种α+β型耐热钛合金，铝当量为3.5，钼当量为7.3。该合金具有良好的热加工工艺性（包括常规工艺性能和超塑性），可进行焊接及各种方式的机加工。该合金对热盐应力腐蚀存在着一定的敏感性。该合金主要用于制造航空发动机的压气机盘、叶片、鼓筒及炮管等，也可以制造飞机的结构件。通过α-β区的热处理形变和热处理，该合金的最高长期工作温度为500℃。TC11钛合金是我国航空应用较广的高温钛合金，制件的使用工作条件为，在退火状态下用于500℃以下500h和550℃以下100h以及450℃以下1000h，在强化热处理状态可用于500℃以下1000h工作的零件和在700℃以下一次性工作零件。在俄罗斯相近的牌号是BT9[1]。

文章研究的挤压成形Φ180mm×25mm要求其抗拉强度Rm≥1030MPa，屈服强度Rp0.2≥910MPa，延伸率A≥8%，断面收缩率Z≥23%，要求其强度和塑性匹配性较高。由于TC11合金化程度高，热挤压变形量大，组织和性能对热处理工艺较为敏感，文章采用了两相区固溶-时效对热挤态管组织和性能的影响，并分析研究组织和性能与热处理工艺之间的关系，为热挤压成形TC11钛合金及兵器应用管的热处理工艺奠定了一定的理论基础。

1 实验方法

TC11钛合金锭坯是选用一级海绵钛、工业纯铝丝为原料等，采用三次真空自耗电弧炉熔炼成Φ700mm直径的铸锭，其化学成见表1。

采用金相法测得合金的β相变点为1010℃，铸锭在 3150t油压机上，经过反复锻造，尺寸为Φ292×650mm锭坯；在3150t水压机上挤压，挤压温度为950℃，保温20分钟，挤压管坯规格为Φ180mm×25mm×L。利用电火花线切割机从合金管坯上切取金相及拉伸试样。试验分别选择：固溶-时效热处理：950℃、960℃、970℃、1040℃/30min，AC+ 530℃/6h，AC；金相分析在OLYM PU SPM G3金相显微镜上进行，HF：HNO3：H2O为1：3：10（体积比）腐蚀剂进行腐蚀。拉伸试样选用圆柱样，其工作区直径为5mm，长度为90mm，拉伸试验在IN-ST RON 1185万能拉伸机上进行。

2 结果与讨论

2.1 热处理对显微组织的影响

通过对TC11热挤压管坯采用四种不同的固溶温度后，采用530℃/6h，进行时效处理后所得显微组织分别如图1所示，在相同的时效时间下，随着固溶温度的升高，合金中初生α相的含量逐渐减小晶粒尺寸逐渐增大，β相含量增加。初生α相产生这种形态上的变化，是由于随着固溶温度逐渐升高接近相变点过程中，合金中α相的热力学稳定含量逐渐减少。对比950℃和970℃两个固溶温度可以发现，分布在β基体相上的α相大部分溶解，晶界变得更加清晰，晶界周围的初生α相为针状形貌，并沿着晶界呈60°生长。

当合金在1040℃固溶时效处理后（图1（c）），粗大的等轴球状初生αp相消失，出现粗大的原始β晶粒在原始β晶界上有连续的α相细长的薄片状α相在原始β晶界及晶粒内析出且部分片状α互相平行组成集束，与晶界成一定夹角。当合金中的等状初生相αp变粗大时，β基体与初生αp相之间的相界面减少，相界面作为缺陷对位错运动的阻碍作用减弱，使得位错塞积减少，从而使合金的强度下降，伸长率升高；然而，随着二次相αs增多变得细小而弥散，两相之间的界面增多，造成第二相强化效应增强，从而使合金的强度上升，伸长率下降。

2.2 拉伸性能与热处理温度的关系

图2给出两相区固溶-时效对TC11钛合金挤压管坯力学性能的影响。由图2（a）可以看出，合金在950℃～970℃范围固溶温度下，并530℃内保温6h时效，可以获得抗拉强度Rm≥1030MPa，屈服强度Rp0.2≥910MPa，延伸率A≥8%，断面收缩率Z≥23%，满足TC11钛合金航空及兵器应用管力学使用性能要求。表明TC18合金挤压管在950℃～970℃范围固溶温度下，并530℃内保温6h时效，合金随着固溶温度的升高，强度逐渐升高，塑性略有降低，它们之间的强度及塑性的差异主要每种热处理制度组织里的初生α相的含量差异所致，然而所得到合金的力学性能均能满足研制应用管材力学性能。比较3种固溶温度下的合金的强度和塑性值，可以看出在970℃/30min固溶，530℃/6h时效，合金强度和塑性匹配性较好。从图2（b）中也能够看出在500℃高温拉伸性能也存在相同的规律。

采用1040℃/30min，AC，+530℃/6h时效热处理后得到的力学性能，也可以满足航空及兵器应用管抗拉强度Rm≥1030MPa，屈服强度Rp0.2≥910MPa，延伸率A≥8%要求，性能的余量不大。但是断面收缩率不能满足Z≥23%要求，主要原因是在该温度下热处理形成的组织已是魏氏组织，尤其是断面收缩率远低于前三个热处理制度，这是由于其原始β晶粒比其它热处理制度粗大、而且存在网状晶界α的缘故[2]。

3 结论

（1）随着固溶温度的升高，合金中初生α相的含量逐渐减小晶粒尺寸逐渐增大，β相含量增加。当温度达到1040℃时出现粗大的原始β晶粒，在原始β晶界上有连续的α相细长的薄片状α相。

（2）采用950-970℃/30min固溶/AC+合金530℃/6h/AC的力学性均能满足材料的要求。

参考文献

[1]邹武装.钛手册[Z].2012，ISBN978-7-122-14637-3.

[2]张宝昌.有色金属及其热处理[Z].1993，ISBN978-7-8612-0452-8.

*通信作者：代春，男，高级工程师。