显微(wei)组织对TC11钛(tai)合(he)金锻件力学性(xing)能(neng)的影响(xiang)

TC11合(he)金(jin)属于马(ma)氏体(ti)型(xing)的α+β型热(re)强(qiang)钛合(he)金(jin)，其(qi)名义成分(fen)为Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si。它(ta)具有比(bi)强度高(gao)，中(zhong)温性(xing)能(neng)好(hao)，耐(nai)腐蚀性(xing)能好(hao)，疲(pi)劳强(qiang)度(du)大(da)等(deng)优(you)点，且(qie)可热(re)处理(li)强化，是(shi)制造(zao)航(hang)空(kong)发(fa)动(dong)机(ji)，高(gao)压压(ya)气机盘以及叶片(pian)等的(de)主要(yao)材料(liao)，也被用(yong)于(yu)制造飞机(ji)上的重要承力(li)部件(jian)[1，2]。合(he)金内(nei)部(bu)组织(zhi)决定(ding)了(le)其(qi)最(zui)终(zhong)的使(shi)用性能(neng)，合(he)理(li)的组(zu)织形(xing)貌(mao)组(zu)合可很大(da)程度上改(gai)善(shan)材料的(de)力(li)学(xue)性能[3]。本(ben)文(wen)通(tong)过设(she)计不(bu)同的热加(jia)工及(ji)热处(chu)理(li)工(gong)艺获(huo)得(de)了不同(tong)的(de)显(xian)微组织(zhi)形貌，研究分析(xi)了(le)显微组织(zhi)对TC11钛(tai)锻件(jian)室(shi)温拉(la)伸性能(neng)的(de)影(ying)响。

1、试验材料与方法

试(shi)验用材(cai)料为(wei)西部(bu)钛(tai)业有限责任(ren)公(gong)司生产的TC11钛合(he)金(jin)棒(bang)材，相(xiang)变(bian)点(dian)为(wei)1005℃～1010℃。试(shi)验用原(yuan)材料(liao)通(tong)过不(bu)同的(de)热加工(gong)或热处(chu)理工艺制(zhi)取(qu)不(bu)同的显(xian)微组(zu)织(zhi)形(xing)貌(mao)，显示金(jin)相(xiang)组织所用腐(fu)蚀剂为10%HF+30%HNO3+70%H2O，腐(fu)蚀后在Stemi2000型(xing)显(xian)微镜(jing)进(jin)行(xing)组(zu)织观(guan)察(cha)，并(bing)利(li)用(yong)Image-ProPlus软(ruan)件(jian)进行初(chu)生α相(xiang)含(han)量定(ding)量(liang)表(biao)征(zheng)；随(sui)后进(jin)行室温拉伸性能(neng)测(ce)试(shi)，拉伸试样(yang)按(an)GB/T228-2002《金属材料室温拉伸(shen)试验方法》加工(gong)成Φ5mm的(de)标(biao)准(zhun)试(shi)样并(bing)在(zai)1185型(xing)材料(liao)试(shi)验机(ji)上(shang)进(jin)行(xing)试(shi)验(yan)。

2、试验(yan)结果(guo)及讨(tao)论

2.1α_p对(dui)TC11力(li)学(xue)性能的影(ying)响(xiang)

图(tu)1为(wei)不同(tong)等轴α_p含量的(de)TC11退(tui)火(huo)态(tai)组织(zhi)，经Image-ProPlus软(ruan)件进行(xing)初(chu)生(sheng)α_p相(xiang)含量(liang)定(ding)量表征(zheng)，等轴α_p相(xiang)含量(liang)依次为(wei)：44%、39%、32%、40%。从图1可以看(kan)出(chu)，H1、H2、H3初生α_p相(xiang)含(han)量呈递(di)减趋(qu)势(shi)；H4等(deng)轴(zhou)α_p相含(han)量与(yu)H2大致相(xiang)当，但(dan)其(qi)尺(chi)寸(cun)、分(fen)布(bu)存(cun)在(zai)差别(bie)。H2试样内部α_p晶粒(li)尺(chi)寸均匀一致(zhi)，而H4试样(yang)内部(bu)存(cun)在明显(xian)的“双套组织(zhi)”，及(ji)存(cun)在两种尺寸(cun)级(ji)别的等轴α晶(jing)粒。

图2给(gei)出了H1、H2、H3三(san)种TC11锻(duan)件(jian)室(shi)温拉伸(shen)性(xing)能与等轴α_p相(xiang)含(han)量(liang)的(de)对应(ying)关系(xi)。由图2可(ke)以(yi)看出(chu)，随着(zhe)等(deng)轴(zhou)α_p相含(han)量(liang)的(de)增(zeng)加(jia)，材(cai)料的强(qiang)度(du)降(jiang)低，塑性略微(wei)升高(gao)。这是(shi)由(you)于(yu)随(sui)着(zhe)材料(liao)内(nei)部等(deng)轴α_p相含量(liang)的增加，β转变(bian)体含量减少，致(zhi)使(shi)α/β相界面含量(liang)下(xia)降，对于(yu)位错(cuo)的钉扎作(zuo)用减弱(ruo)，降(jiang)低(di)了(le)材料的(de)强(qiang)度，并提升(sheng)了(le)材(cai)料(liao)的塑(su)性(xing)；另(ling)外(wai)，随着等轴(zhou)α_p含量(liang)的增(zeng)加(jia)，材(cai)料(liao)内(nei)部的合(he)金元(yuan)素(su)分配(pei)效(xiao)应加(jia)剧(ju)，意味着此(ci)时(shi)β转变体内(nei)部α片(pian)层(ceng)的(de)Al含量(liang)降(jiang)低(di)，导致β转变(bian)体(ti)强(qiang)度的下(xia)降(jiang)，进(jin)而(er)导致(zhi)整(zheng)体(ti)强(qiang)度的下(xia)降，而(er)由于材料的塑(su)性(xing)不(bu)受屈(qu)服行(xing)为(wei)的影(ying)响(xiang)，主要取决(jue)于α晶(jing)团的大(da)小(xiao)。因(yin)此，合(he)金(jin)元素分(fen)配(pei)效应对(dui)于塑性(xing)的(de)影响(xiang)非(fei)常(chang)小(xiao)[4]；最(zui)后(hou)，随着等(deng)轴α_p相(xiang)含量的(de)增(zeng)加(jia)，材料(liao)的变(bian)形(xing)协调(diao)性(xing)增(zeng)加，致(zhi)使(shi)塑(su)性略微增加。这三(san)者(zhe)的(de)综合(he)影(ying)响导致随着等轴α_p相含量(liang)的(de)增加(jia)，材料(liao)的(de)强度(du)降(jiang)低，塑性略微升高。

表1则给(gei)出(chu)了H2与H4的(de)室温(wen)拉伸(shen)性(xing)能比(bi)较(jiao)。从(cong)表(biao)1可以(yi)看(kan)出(chu)，H4试样(yang)的屈(qu)服(fu)强度(du)、延(yan)伸(shen)率明(ming)显优(you)于(yu)H2，抗(kang)拉强(qiang)度(du)及(ji)端(duan)面(mian)收(shou)缩(suo)率基(ji)本(ben)相当。从显微(wei)组(zu)织分析(xi)可知(zhi)，H4试样的(de)晶粒平均(jun)尺寸要(yao)小于H2试样(yang)，根据(ju)Hall-Petch公式：σ=σ0+kd^(-1/2)可(ke)知(zhi)，平均晶(jing)粒(li)尺寸(cun)越小，材料的屈服(fu)强(qiang)度(du)越(yue)高(gao)。这是(shi)由于(yu)此时(shi)晶界(jie)的数量增加(jia)，导致(zhi)位错(cuo)移(yi)动时的(de)阻力增(zeng)大，使得(de)金属(shu)的(de)变形抗力增加；另一(yi)方(fang)面(mian)，平均晶(jing)粒(li)尺(chi)寸(cun)的减(jian)小(xiao)意(yi)味(wei)着(zhe)晶(jing)粒(li)数(shu)目(mu)的(de)增加，致(zhi)使(shi)材料(liao)的(de)塑性(xing)变(bian)形(xing)可(ke)以分(fen)散到(dao)更(geng)多的(de)晶粒(li)内(nei)进行，使(shi)得(de)材料的变(bian)形协调(diao)性上升，致使(shi)延(yan)伸率(lv)提高(gao)。

2.2次(ci)生片(pian)层α相对(dui)TC11力学性能的(de)影响(xiang)

图(tu)3中(zhong)H5、H6为同(tong)一(yi)退火(huo)温度经(jing)不(bu)同冷却介(jie)质冷(leng)却(que)后的(de)显(xian)微组织(zhi)。经(jing)Image-ProPlus软件进行初生α_p相含(han)量(liang)定量表征(zheng)，α_p相含量(liang)大致相(xiang)当，约(yue)为30%，晶粒(li)尺寸约为(wei)14.8μm。从图3可(ke)以看出，H5、H6试样次生片层α相形(xing)态存在明显差距(ju)，H5试样中次(ci)生(sheng)片层(ceng)α相呈(cheng)短(duan)棒(bang)状，长宽比较(jiao)小(xiao)；H6试(shi)样次(ci)生片(pian)层(ceng)为(wei)细(xi)小的(de)针状(zhuang)，长宽比高于H5试(shi)样(yang)。

表(biao)2则给出了(le)H4与H5的(de)室(shi)温拉(la)伸性(xing)能比(bi)较。从表2可(ke)以(yi)看出，H6试样的(de)强度明(ming)显(xian)优于(yu)H5试(shi)样，但(dan)其延(yan)伸(shen)率(lv)及(ji)断面(mian)收(shou)缩(suo)率(lv)略(lve)有(you)下降(jiang)。

在(zai)α_p含(han)量一(yi)定的情况下(xia)，β转变体比(bi)例也(ye)随(sui)之(zhi)固定(ding)。从几(ji)何(he)学(xue)角度来讲(jiang)，相同(tong)体积下，球形表(biao)面积(ji)最小。随(sui)着(zhe)β转变体(ti)内(nei)部α片(pian)层(ceng)越(yue)脱离等轴(zhou)状(zhuang)，即长(zhang)宽比越大，意(yi)味(wei)着其表面积占比(bi)也(ye)越高，相(xiang)界(jie)面也随(sui)之增加(jia)。相界面对(dui)于(yu)位错(cuo)的钉(ding)扎效(xiao)应限(xian)制了位错(cuo)在晶(jing)粒内部(bu)的滑(hua)移(yi)，导致了位(wei)错移动时(shi)的阻力(li)增大，使得(de)金(jin)属(shu)的变形(xing)抗力增(zeng)加(jia)，从(cong)而(er)使得(de)材(cai)料(liao)强(qiang)度上升，塑(su)性(xing)下(xia)降。

3、结论

（1）随(sui)着(zhe)α_p相含量(liang)的增加(jia)，材(cai)料(liao)的强度降低，塑(su)性(xing)略微升(sheng)高；等轴α_p相(xiang)平(ping)均晶(jing)粒尺(chi)寸的(de)降(jiang)低有(you)利(li)于(yu)提(ti)高(gao)材料(liao)的强(qiang)塑性。

（2）随(sui)着次(ci)生(sheng)片层(ceng)α相(xiang)长(zhang)宽比升(sheng)高，材料的强度(du)上升(sheng)、塑性下降。

参(can)考(kao)文(wen)献：

[1]赵民权，董(dong)健(jian)．固(gu)溶温(wen)度对TC11合(he)金(jin)组织(zhi)和(he)性(xing)能(neng)的(de)影(ying)响(xiang)[J]．金(jin)属(shu)热(re)处理(li)，2015，40（04）：139-141．

[2]姚梦(meng)，刘(liu)勇，朱(zhu)景川(chuan)．TC11钛合金(jin)双重(zhong)热处理工艺(yi)设(she)计[J]．热(re)处(chu)理(li)技(ji)术(shu)与(yu)装备(bei)，2016，37（05）：65-70．

[3]颜茜(qian)，舒(shu)鑫柱(zhu)，祝菲(fei)霞(xia)，等(deng)．TC11钛(tai)合金(jin)4种典(dian)型组(zu)织(zhi)静(jing)态力(li)学(xue)性能对(dui)比研(yan)究(jiu)[J]．云(yun)南(nan)大(da)学学报(bao)(自(zi)然(ran)科学(xue)版(ban))，2016，38（01）：99-104．

[4]J.C.Williams著．雷(lei)霆译．钛(tai)[M]．北京：冶(ye)金(jin)工业(ye)出版(ban)社，2011．

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