冷却速率对TC11钛合金锻件力学性能的影响

张 哲，李进元，任驰强，李 菁

（西部钛业有限责任公司，陕西 西安 710201）

TC11合金属于马氏体型的α+β型热强钛合金，其名义成分为Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si。它具有较高的室温强度，在500℃以下具有优异的热强性和良好的热加工工艺性能，是一种重要的航空和宇航材料，广泛应用于航空发动机的压气机盘、叶片和鼓筒等零件上[1，2]。

本文通过研究TC11饼材在不同冷却介质中冷却后的显微组织形貌，分析了冷却速率对TC11饼材室温拉伸性能的影响。

1 试验材料与方法

试验用材料为西部钛业有限责任公司生产的Φ180mmTC11钛合金棒材，相变点为1005℃～1010℃。试验用原材料在2500T压机上制备出Φ295mm×190mm饼材，随后进行热处理，热处理制度见表1；最终在饼材端部切取金相与室温拉伸试样进行测试。显示金相组织所用腐蚀剂为10% HF+30% HNO3+70% H2O，腐蚀后在Stemi2000型显微镜进行组织观察；室温拉伸试样按GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》加工成Φ5mm的标准试样并在1185型材料试验机上进行静态室温拉伸试验。

2 试验结果及讨论

2.1 冷却速率对显微组织的影响

图1为TC11锻件970℃保温后经不同冷却介质冷却后的显微组织形貌。

从图1可以看出，三种组织均为双态组织，但随冷却速率的不同，组织细节略有差异。

随着冷却速率的增加，初生α相尺寸、次生α片层宽度减小。经空冷、油冷后的组织由等轴状初生α相+短棒状次生α相+β转变体构成，水冷后的组织由等轴状初生α相+β转变体构成，且次生β转变体内α片层长宽比明显提升。钛合金中β→α相转变属于由扩散控制的同素异构转变，因此随着冷却速率的增加，冷却过程中α相的相生长受到抑制，造成初生α相晶粒尺寸以及次生α片层宽度的下降。

图1 不同冷却速率下TC11钛合金显微组织

图2 不同冷却速率下TC11钛合金锻件室温拉伸性能

2.2 显微组织对室温拉伸性能的影响

图2给出了不同冷却速率下TC11锻件的室温拉伸性能比较。

由图2可以看出，随着冷却速率的增加，材料的强度增加，塑性略微下降。从显微组织的对比可知，随冷却速率的增加，材料的晶粒尺寸逐渐下降，相界面增加。随着相界面的增加，材料内部对于位错运动的阻碍能力增加，位错钉扎效应加剧，致使材料的强度上升、塑性下降。另一方面，随着冷却速率的增加，次生α片层长宽比增加。相比于短棒状组织，片状组织变形协调性更差，降低了材料的塑性。

3 结论

（1）经空冷、油冷后的组织由等轴状初生α相+短棒状次生α相+β转变体构成，水冷后的组织由等轴状初生α相+β转变体构成；随着冷却速率的增加，初生α相尺寸、次生α片层宽度减小。

（2）随着冷却速率的增加，材料的室温拉伸强度增加，塑性略微下降。