TC11钛合金属于马氏体型α+β双相热强钛合金，可以在500℃下长期工作，是一种重要的航空和宇航材料，目前已广泛用于航空关键部件以及飞机结构件 。航空关键部件的发展对钛合金的性能提出了较高的要求，而TC11钛合金的性能与它的组织结构密切相关。研究认为双态组织的综合性能较好，不仅有较高的断裂韧性而且还能承受较大的变形抗力。目前得到双态组织的方法为经过预处理后，在近β区终锻(变形量30％ ～50％) 。通过适当的热处理方法可以改变钛合金的组织结构，进而改进其力学性能，但大都局限于初始为片层组织的钛合金的热处理研究，仅通过热处理不能得到双态组织。在此基础上，本文研究了不同热处理条 件下初始为等轴组织的TC1 1钛合金显微组织的演化规律，得到了一种由等轴组织热处理获得双态组织的方法，且通过热处理得到的双态组织仍然拥有良好的综合性能。
1、试验材料及方法
1.1 试验材料及规格
试验用TC11钛合金的化学成分(质量分数，％)为3.3Mo、6.5Al、1.5Zr、0.25Si，其余为Ti。合金经970℃锻后退火，得到的热处理初始组织如图1所示，由白色α相和黑色基体β相组成的等轴组织。热处理试样形状为圆柱体，尺寸为φ10mm×120mm。
1.2 热处理工艺的制定
对TC11钛合金在不同热处理工艺下的试样进行编号(表1)。使用SX-8-13型电阻炉进行热处理，其中油冷时冷却介质为40号液压油。
1.3 试验方法
将经过不同热处理工艺的试样经线切割制成金相样品，腐蚀剂选用5％HF水溶液，用MEF-4型光学显微镜观察显微组织。
热处理后的试样加工成φ10 mm×120mm的拉伸试样。在Gleeble2000热模拟试验机上进行拉伸性能试验，试验条件为：试验温度1000℃ ，变形速度0.5mm／s。同时采用DXT-3洛氏硬度计进行硬度测试。
2 、试验结果及分析
2.1 试验结果
图2a～g为空冷条件下，不同热处理温度对应的TC11钛合金的微观组织。从图2a～g中可以看出，开始随着热处理温度的升高，等轴α相(白色)的含量逐渐减少(图2b)，热处理温度为980℃的时候，β相(黑色)冷却过程中开始转变组织，由初始的等轴态转化 为等轴α+β转变的双态组织(图2c)，随着温度的继续增加，等轴α含量逐步减少，同时β转发晶粒尺寸逐渐增大(图2d～e)，热处理温度达到1050℃时，等轴相完全消失，形成完全由β转蛮组织组成的层状组织，继续升高温度，层状组织的片层厚度增加，β晶粒尺寸继续增加。可以看出不同热处理温度通过影响热处理过程中 向β的相转变行为进而影响得到不同的热处理组织形态。
图2e，h～j为TC11钛合金在热处理温度为1020℃时不同冷却速度对应的显微组织。冷却速度较快时(图2h)，β相转变成含有细针状 相的马氏体组织；随冷却速度的降低，热处理组织为双态组织和部分淬火马氏体(图2i)和双态组织(图2e)；当冷却速度较慢 时，热处理后得到具有粗大片层的魏氏组织(图2j)。可以看出，冷却速度的不同控制了冷却过程中β向转变的时间和方式的不同，进而控制形成不同的β转变组织。
2.2 分析与讨论
对比初始组织与图2a～e可知，随着温度的升高，除了仅等轴晶粒更加粗大以外，白色 相的含量逐渐减少，黑色β相的含量逐渐增多(见图3)，可以认为TC11在900℃已经发生了 相向β相的转化过程，由于转变速度很慢，只有少量 相转换为β相。从980～1020℃组织发生了很大的变化，由完全的等轴组织转变成了由等轴组织和β转变组织构成的双态组织。究其原因可能是在这个温度范围介于相与相的转化的过渡区域(近β区)， α+β相向β相的转换量与时间呈正比，由于温度不够高或者保温时间不够长，残留部分等轴 。在冷却过程中β相产生过饱和，在晶界和晶内析出片层状的 与残留的等轴 构成了双态组织，且随温度的升高，双态 组织中的等轴 相的含量逐渐减少。在热处理温度达到1050℃时，由于超过了材料的相变点， 相完全转化为β相，空冷后得到层状组织。继续升高温度，组织形态不再发生变化，只是层状组织的片层厚度增加，β晶粒尺寸继续增加冷却速度对显微组织有显著影响。水冷却速度比较快，β相还没有析出，得到无扩散的切变方式形成细针状的淬火马氏体仅 以及部分残留的等轴α；油冷时。得到双态组织和部分淬火马氏体 ，空冷得到双态组织；炉冷时，由于有了充足的时间进行转化，等轴α相完全转化为β相，在冷却过程中有充分的时间进行析出和长大，最后得到晶粒粗大的片层组织。可以看出，随着冷却速度的逐渐降低，晶界和晶内α的析出增加，晶界仅从水冷条件下的断断续续到连续完整，继而增大增厚。同时等轴 的含量逐渐减少(即等轴α转化增多)，直至等轴α完全消失(炉冷)，这也证明了α+β相向β相的转换化与转化时问呈正比。
组织形态的变化同时对应着合金力学性能的变化。图4和图5分别为不同热处理温度和冷却速度得到的TC11合金热处理组织对应的1000℃，0.5 mm/s的条件下的拉伸力学性能的变化。从图中可以看出，热处理温度980-1020℃时空冷或油冷得到的双态组 织其1000℃的抗拉强度和硬度介于等轴组织和层状组织之间(图4a、4e和图5a、5c)，伸长率明显高于其他两种热处理组织(图4b和5b)，这是由于该组织兼顾等轴组织和网篮组织的特点，因此具有较好的综合力学性能。同时由图4和图5还可以看出，该双态组织的力学性能随不同热处理温度下双态组织中等轴α相含量的变化而有所变化，其中当热处理温度在980～ 1000℃之间时，所得双态组织的α相含量约为50％ 。对应的双态组织的性能最佳。
3、结论
(1)热处理条件对初始组织为等轴组织的TC11钛合金的组织形态和力学性能有很大的影响，调节热处温度和冷却速度，可以控制得到不同的组织状态(等轴、双态、网篮、马氏体等)及力学性能
(2)在980～1020℃ 区间内热处理，通过空冷或者油冷可由等轴组织获得综合性能较好的双态组织。
(3)加热温度与冷却速度通过控制相变与冷却过程中的析出来控制TC11钛合金的组织形态。
bjlkty.com
立坤钛业手机网
