航空制(zhi)造(zao)产(chan)业是(shi)高(gao)度综(zong)合(he)的(de)战(zhan)略(lve)性(xing)高新(xin)技(ji)术(shu)产(chan)业(ye)，是国家(jia)工(gong)业(ye)实力的(de)重(zhong)要(yao)体现(xian)之(zhi)一。为(wei)了(le)满(man)足航(hang)空发动机设计和(he)制造(zao)过程(cheng)中(zhong)高可靠(kao)性和大推(tui)重比的(de)要求(qiu)，航空(kong)发(fa)动机的(de)结(jie)构设(she)计(ji)已经向整体化方向(xiang)发(fa)展，尤其(qi)是整(zheng)体叶(ye)盘(pan)、叶环(huan)等(deng)已形(xing)成发(fa)展趋(qu)势(shi)。整体(ti)叶(ye)盘是(shi)将(jiang)发(fa)动机转子(zi)的(de)叶片和叶(ye)盘(pan)设(she)计(ji)成(cheng)一体(ti)，放(fang)弃使(shi)用(yong)传(chuan)统(tong)的(de)榫头和榫(sun)槽装置进(jin)行连(lian)接(jie)，从而(er)减(jian)少零件数(shu)量和(he)减轻(qing)发动(dong)机质量(liang)，显(xian)著提(ti)高(gao)发(fa)动机工(gong)作(zuo)效(xiao)率(lv)、工(gong)作寿(shou)命以(yi)及安全可(ke)靠(kao)性(xing)[1-2]。
整体叶盘需要在高温、高压、高负(fu)荷的复(fu)杂环(huan)境(jing)中服役[3]，这(zhe)决定了(le)其(qi)对(dui)于(yu)制造材料的选择(ze)具有很(hen)高(gao)的要(yao)求，亟需耐高(gao)温(wen)、抗(kang)氧(yang)化(hua)和阻燃等(deng)优(you)良性能的(de)材料(liao)。钛(tai)合(he)金(jin)具(ju)有密度(du)低、比强度(du)高(gao)、耐(nai)腐(fu)蚀性能(neng)好(hao)等优(you)点(dian)，可在(zai)室温(wen)和中高温环(huan)境(jing)中服役(yi)，目前被(bei)广泛(fan)地应用于航空发(fa)动(dong)机(ji)整(zheng)体叶(ye)盘(pan)的研(yan)发和制(zhi)造领域[4-6]。
航空发动机(ji)工(gong)作(zuo)时(shi)，整体叶盘各部(bu)位所承受的(de)温度(du)和(he)应(ying)力区别较大。为(wei)了(le)实(shi)现(xian)整(zheng)体叶(ye)盘(pan)不同部(bu)位力(li)学(xue)性能(neng)的(de)最优(you)配置，钛合金(jin)整(zheng)体(ti)叶盘(pan)的“双性(xing)能”设计(ji)思(si)路被(bei)提出，即(ji)通过锻造、焊(han)接(jie)等方(fang)法(fa)使叶片(pian)和(he)叶(ye)盘部(bu)位(wei)获(huo)得(de)不(bu)同且特(te)定(ding)的(de)显微组织[7-9]。
叶片处(chu)需要承受高(gao)温流动(dong)气体(ti)和高(gao)频(pin)振(zhen)动应力，且有受(shou)到外(wai)物(wu)损(sun)伤(shang)的(de)可(ke)能(neng)性，因(yin)此(ci)要求(qiu)叶(ye)片具有(you)高强度和(he)塑性(xing)、高周(zhou)疲(pi)劳(lao)性能(neng)以及抗外(wai)物冲击能(neng)力，一般采用强(qiang)度高(gao)和(he)塑性(xing)好的(de)双态(tai)组织(zhi)材(cai)料[10-12]；而(er)叶盘(pan)处工作(zuo)温(wen)度较低，需(xu)要承(cheng)受多(duo)轴(zhou)低(di)频(pin)循(xun)环(huan)应力(li)作用(yong)，因此(ci)要(yao)求(qiu)叶(ye)盘(pan)具有高(gao)抗蠕(ru)变(bian)能(neng)力(li)、低周疲劳(lao)性(xing)能(neng)和断(duan)裂韧(ren)性(xing)，一般采(cai)用(yong)强(qiang)度高(gao)和断(duan)裂韧性(xing)好的(de)网(wang)
篮(lan)组(zu)织材料(liao)[13-14]。
双性能(neng)整(zheng)体叶盘(pan)常见的(de)设计(ji)思路(lu)是(shi)使用(yong)两(liang)种合金(jin)，通(tong)过(guo)线(xian)性摩擦(ca)焊技术[15-16]将叶(ye)片焊接(jie)到(dao)盘(pan)体上来获得不同的(de)组(zu)织(zhi)，从(cong)而(er)实(shi)现双性(xing)能(neng)的(de)需(xu)求(qiu)。
另(ling)外，也(ye)可(ke)以(yi)通(tong)过(guo)锻造和(he)热(re)处理(li)等方法(fa)来(lai)控制(zhi)单(dan)种(zhong)合金(jin)获(huo)得不(bu)同组(zu)织。单种合金(jin)所产生的(de)双性能(neng)往往(wang)会(hui)受(shou)到合金本身(shen)性(xing)能的限(xian)制(zhi)，无(wu)法充分(fen)发挥双性(xing)能(neng)整体(ti)叶盘(pan)的(de)结(jie)构(gou)优(you)势(shi)[17]，因此“双合金-双(shuang)组(zu)织”型(xing)整体叶盘具有很(hen)好(hao)的发展(zhan)和(he)应(ying)用前(qian)景(jing)。目(mu)前(qian)，国内外的相(xiang)关研究(jiu)常(chang)采用(yong)具有双(shuang)态(tai)组(zu)织的Ti-6Al-4V（TC4）合(he)金作为叶(ye)片材(cai)料，叶(ye)盘材(cai)料则选(xuan)择具有(you)网篮(lan)组(zu)织(zhi)的Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr（TC17）合金。TC17钛(tai)合(he)金是(shi)一(yi)种综(zong)合(he)性(xing)能良(liang)好的(de)近(jin)β型钛合(he)金，具有强度高、断裂(lie)韧(ren)性好(hao)和(he)锻(duan)造(zao)温度范(fan)围(wei)宽(kuan)等(deng)优点。TC17钛合金(jin)中的(de)Mo和Cr元素(su)为β相稳(wen)定(ding)元素[18]，使(shi)合(he)金(jin)既可(ke)以(yi)在(zai)β相(xiang)区变形(xing)，也(ye)可以在(zai)α+β两相(xiang)区(qu)变(bian)形(xing)，从而通过(guo)不(bu)同的热(re)处理制(zhi)度和锻造工(gong)艺(yi)来(lai)调控(kong)合(he)金的(de)力(li)学性能(neng)。经(jing)过β锻造后(hou)的(de)TC17钛(tai)合金获(huo)得(de)细(xi)长(zhang)板(ban)条(tiao)状α相(xiang)交错(cuo)排(pai)列(lie)的网(wang)篮(lan)组织(zhi)，具有高(gao)强度(du)、高(gao)断(duan)裂韧性(xing)以(yi)及(ji)良(liang)好的(de)疲劳(lao)性能和蠕(ru)变(bian)性能，被广泛(fan)用(yong)于航空(kong)发动(dong)机高(gao)性(xing)能(neng)整(zheng)体(ti)叶(ye)盘、鼓筒等(deng)大型(xing)关(guan)键零(ling)部(bu)件的(de)制造[19-20]。
TC4钛(tai)合金是一种(zhong)α+β型钛(tai)合(he)金(jin)，具(ju)有(you)高比(bi)强(qiang)度、耐腐蚀性(xing)能以及优良(liang)的(de)高(gao)温(wen)力(li)学(xue)性能[21]。TC4钛合金在α+β区(qu)锻(duan)造后(hou)经(jing)热处理可以获得双(shuang)态(tai)组织(zhi)，具有(you)高的(de)强度和(he)塑性，常常被用(yong)于航空发(fa)动(dong)机(ji)叶(ye)片(pian)等关(guan)键零部件的制(zhi)造。
国(guo)内(nei)外对(dui)于网篮组(zu)织(zhi)TC17和双态(tai)组织TC4钛(tai)合(he)金的(de)力(li)学性(xing)能(neng)进行(xing)了(le)大(da)量(liang)的研究，诸(zhu)如强(qiang)塑性(xing)、高(gao)/低周疲劳性(xing)能以及(ji)断裂韧性等。尤(you)其(qi)是(shi)在(zai)准静(jing)态条(tiao)件下的拉(la)伸(shen)性能(neng)，是(shi)钛(tai)合金(jin)实(shi)际(ji)应用(yong)的重(zhong)要数(shu)据(ju)支撑(cheng)。王(wang)丹等(deng)[22]研究了两相(xiang)区(qu)变形量对TC17钛(tai)合金(jin)的(de)显微(wei)组(zu)织和(he)拉伸(shen)性能(neng)的影响，发(fa)现两(liang)相(xiang)区变形加速(su)了(le)网(wang)篮组(zu)织中(zhong)板(ban)条(tiao)状α相的球化过(guo)程(cheng)，且拉(la)伸(shen)强度(du)和塑性(xing)与变形(xing)程(cheng)度呈线性关系(xi)，均随(sui)变(bian)形量(liang)的增加(jia)而(er)增大。王博涵等(deng)[23]在(zai)不同锻造温度(du)和(he)后续热处理作用(yong)下(xia)，对(dui)TC4钛合金(jin)分别(bie)进(jin)行α+β锻造、近β锻(duan)造和(he)β锻造，得(de)到了三种(zhong)不(bu)同显(xian)微(wei)组(zu)织(zhi)。其中等轴组织的强度(du)低(di)但塑性(xing)好(hao)，片层(ceng)组织(zhi)的(de)强(qiang)度最高(gao)但(dan)塑性(xing)较(jiao)差，而双态组(zu)织有(you)较高的(de)强度和(he)塑性，综合力(li)学性(xing)能(neng)最(zui)好(hao)。
整(zheng)体叶盘在服(fu)役(yi)过(guo)程中往(wang)往(wang)需(xu)要承受(shou)复(fu)杂的(de)准(zhun)静(jing)态载(zai)荷的(de)作用，而目前(qian)有(you)关(guan)应(ying)变(bian)速率(lv)对整体(ti)叶盘用(yong)钛(tai)合(he)金锻(duan)件拉伸性能影(ying)响的研(yan)究(jiu)，尤其是不(bu)同(tong)应(ying)变(bian)速率(lv)条件下(xia)大(da)尺寸实验件(jian)的(de)拉(la)伸性(xing)能(neng)研究则相(xiang)对较少(shao)。本(ben)工作(zuo)旨(zhi)在研(yan)究(jiu)整体叶盘用(yong)TC17和TC4钛(tai)合(he)金(jin)锻(duan)件在(zai)不同(tong)应变速率(lv)下(xia)的(de)拉(la)伸(shen)性能(neng)以(yi)及(ji)流(liu)变应力(li)的(de)应(ying)变(bian)速(su)率(lv)敏感性，分(fen)析两种(zhong)合金(jin)在(zai)不(bu)同(tong)应变速率下的(de)变形组(zu)织(zhi)和断(duan)口形貌，并进一步(bu)探(tan)讨(tao)微观(guan)组(zu)织形貌与(yu)合(he)金强度和(he)塑(su)性(xing)的关(guan)系(xi)。
1、实(shi)验材料(liao)及方(fang)法(fa)
1.1实验(yan)材(cai)料(liao)
实(shi)验(yan)材(cai)料为(wei)TC17和TC4钛合(he)金(jin)，化学成(cheng)分(fen)如(ru)表(biao)1所(suo)示(shi)。通过β锻(duan)造(zao)和(he)锻(duan)后热处理(li)的(de)方法制备具(ju)有(you)网篮组织的(de)TC17合(he)金(jin)盘状(zhuang)锻(duan)件，使合(he)金原(yuan)始(shi)坯(pi)料加(jia)热(re)到(dao)β相(xiang)区后(hou)进行锻造(zao)，并(bing)在α+β相(xiang)区完(wan)成(cheng)终锻(duan)，锻造后在(zai)一(yi)定温(wen)度(du)下保温并空冷处理(li)。同(tong)样通过(guo)锻造以(yi)及后续热处理的(de)方(fang)法制(zhi)备具有双(shuang)态组织(zhi)的TC4合(he)金块(kuai)状(zhuang)锻件，使合(he)金原始坯(pi)料加热到(dao)α+β相区进(jin)行(xing)锻(duan)造(zao)，锻(duan)造后(hou)在一定(ding)温(wen)度(du)下(xia)保(bao)温并(bing)空(kong)冷处(chu)理。
1.2原(yuan)始(shi)组织表(biao)征(zheng)
通过(guo)线切割的方(fang)式分别从(cong)两(liang)种(zhong)合(he)金(jin)原(yuan)始(shi)锻(duan)件(jian)上(shang)取下(xia)10mm×10mm×8mm的(de)块状(zhuang)试样(yang)并(bing)进行(xing)热(re)镶(xiang)嵌。利(li)用240号和(he)320号砂纸打磨(mo)掉试样的(de)氧(yang)化(hua)皮后，依次用(yong)9μm和(he)3μm粒径(jing)的金刚石抛光液(ye)以(yi)及SiO2和(he)双氧水(shui)混(hun)合抛光液(ye)抛(pao)光(guang)，随(sui)后(hou)在(zai)去离子水(shui)∶HNO3∶HF=100∶3∶2（体(ti)积比）混合(he)液中(zhong)进(jin)行(xing)腐蚀(shi)。TC17和TC4合金(jin)样品的(de)腐(fu)蚀(shi)时间(jian)分别(bie)为
13s和20s。采(cai)用(yong)LEICADMI8型金(jin)相显微(wei)镜（OM）观(guan)察(cha)合(he)金(jin)原始(shi)组(zu)织(zhi)。同(tong)样(yang)将(jiang)试样(yang)磨抛(pao)成镜面(mian)后，在小压力(li)下(xia)用(yong)SiO2和(he)双(shuang)氧(yang)水(shui)的混(hun)合(he)抛光液进(jin)行30min的机械(xie)化(hua)学抛光来去(qu)除(chu)试(shi)样表面的残余(yu)应力，随后(hou)在(zai)去(qu)离子(zi)水(shui)下(xia)抛光10min。利用IT800-SHL型(xing)高分(fen)辨(bian)场(chang)发(fa)射(she)扫(sao)描电镜（SEM）配(pei)备(bei)的电子(zi)背散(san)射(she)衍(yan)射（EBSD）技(ji)术(shu)对抛光(guang)后试样的微(wei)观(guan)组(zu)织进行(xing)表征，加(jia)速(su)电压为(wei)20kV。
1.3力学性能测试
采(cai)用HVD-5IS型(xing)维氏(shi)硬(ying)度计(ji)测定(ding)两种合(he)金(jin)的(de)维(wei)氏(shi)硬(ying)度，测试位(wei)置(zhi)各10个，所用的(de)载(zai)荷(he)为(wei)49N，加(jia)载(zai)时(shi)间为(wei)15s。通(tong)过线(xian)切(qie)割的方(fang)式(shi)从(cong)原(yuan)始锻(duan)件(jian)上沿垂直(zhi)于(yu)锻造方(fang)向切(qie)取(qu)拉伸试(shi)样(yang)，试(shi)样总(zong)长(zhang)度(du)为(wei)198.4mm，平行(xing)段长度为(wei)98.4mm，标距长(zhang)度(du)为(wei)75mm，平行(xing)段宽(kuan)度为12.5mm，厚度(du)为1mm，具(ju)体(ti)尺寸如图(tu)1所(suo)示(shi)。拉(la)伸(shen)实(shi)验在(zai)UTM4204X型万能
实(shi)验(yan)机上进行(xing)，采(cai)用(yong)的(de)应变速率(lv)为(wei)1×10−5、1×10−4、1×10−3s−1和(he)1×10−2s−1，每(mei)种应变速(su)率(lv)下(xia)进行3次(ci)实(shi)验，采(cai)用标(biao)距为(wei)25mm的(de)引(yin)伸(shen)计(ji)，拉(la)伸(shen)方向垂直于合(he)金锻(duan)造方(fang)向。
1.4变(bian)形组织和(he)断(duan)口(kou)形貌表征(zheng)
通(tong)过(guo)线切割(ge)的方式从拉(la)伸试样断(duan)口(kou)附近切(qie)下(xia)长度(du)为5mm的(de)试样，对样品(pin)进行(xing)磨抛和(he)腐蚀，采用(yong)OM观察断口附近(jin)变形(xing)组织，并(bing)结合(he)EBSD技(ji)术(shu)对(dui)其进(jin)行(xing)研究和(he)分(fen)析(xi)。另外从拉伸试样另(ling)一(yi)侧断(duan)口(kou)附(fu)近切(qie)下(xia)长度(du)为5mm的(de)试(shi)样，采用(yong)SEM对试(shi)样进(jin)行(xing)断口形貌(mao)观(guan)察。
2、结(jie)果(guo)与讨(tao)论(lun)
2.1合(he)金的原始组织
图2（a）、（b）为TC17合金(jin)原(yuan)始组(zu)织的(de)OM图。TC17合金经(jing)过(guo)β锻造(zao)和热(re)处(chu)理后(hou)得(de)到(dao)网(wang)篮组(zu)织(zhi)，低倍下(xia)由尺(chi)寸较(jiao)大的(de)β晶粒（图2（a））以及晶界处连(lian)续分布(bu)的(de)α相组(zu)成，高倍(bei)下(xia)在β晶(jing)粒中(zhong)观察(cha)到(dao)大量(liang)纵横(heng)交错(cuo)的板(ban)条(tiao)状(zhuang)α相（图(tu)2（b））。对合(he)金的原(yuan)始(shi)试样(yang)进(jin)行(xing)EBSD观察（扫(sao)描(miao)步长(zhang)为(wei)0.1μm），结(jie)果(guo)如(ru)图(tu)2（c）～（e）所示(shi)，其中（c）、（d）、（e）分别(bie)为反(fan)极图(tu)、相(xiang)图(tu)以(yi)及Kernel平(ping)均(jun)取(qu)向(xiang)差（KAM）图(tu)。如(ru)图(tu)2（c）所示，β晶(jing)粒中的(de)板(ban)条状α相具有(you)不同(tong)的取向(xiang)，纵横交错(cuo)分布形成(cheng)网(wang)篮(lan)结(jie)构。在(zai)板条状(zhuang)α相(xiang)交错(cuo)分布的空(kong)隙处(chu)还(hai)分(fen)布着(zhe)大(da)量的残(can)余(yu)β相(xiang)，如(ru)图2（d）所(suo)示。KAM图(tu)可用(yong)于(yu)反映(ying)不同(tong)位置的(de)几(ji)何必(bi)须(xu)位错(cuo)密度(du)、晶格畸变以(yi)及残(can)留应(ying)变(bian)等(deng)信(xin)息(xi)[24]，图(tu)中(zhong)不同颜(yan)色代(dai)表着(zhe)不同(tong)的KAM值，红色代表(biao)高(gao)KAM值(zhi)，蓝(lan)色代表低(di)KAM值。从(cong)图2（e）中(zhong)可以看出(chu)，合(he)金的(de)原始(shi)组(zu)织经(jing)过(guo)β锻(duan)造和(he)热(re)处理后(hou)还(hai)残(can)留(liu)了(le)一(yi)定(ding)程(cheng)度的(de)应(ying)变(bian)，其中板条状α相的(de)KAM值(zhi)较低，而(er)残(can)余β相(xiang)的KAM值(zhi)较(jiao)高，即存(cun)在(zai)较(jiao)大(da)的残(can)留(liu)应变。
图3（a）、（b）为TC4合(he)金(jin)原(yuan)始组(zu)织(zhi)的OM图(tu)。TC4合金经(jing)过(guo)锻造(zao)以(yi)及后(hou)续热处(chu)理(li)获(huo)得(de)双态(tai)组(zu)织(zhi)，低(di)倍下由等轴状的(de)初(chu)生α相和(he)β转变组织（图3（a）箭(jian)头所示）组(zu)成，高倍(bei)下(xia)在β转(zhuan)变(bian)组织(zhi)中(zhong)观察到(dao)大量(liang)片层状的次(ci)生α相（图(tu)3（b））。图3（c）～（h）为合(he)金(jin)原始组(zu)织(zhi)的(de)EBSD反(fan)极图、相(xiang)图以及KAM图(tu)（扫(sao)描步长(zhang)为0.1μm）。初生(sheng)α相和次(ci)生α相(xiang)均较(jiao)为(wei)清晰（图3（c）），而(er)β转(zhuan)变(bian)组(zu)织中(zhong)的(de)残余(yu)β相在相(xiang)图(tu)中(zhong)的(de)含量(liang)极(ji)少且尺(chi)寸较(jiao)小（图3（d）），难以被很好地(di)解(jie)析(xi)标定(ding)。如图3（e）所示(shi)，初(chu)生α相(xiang)与β转(zhuan)变组(zu)织(zhi)的界面处呈现(xian)出(chu)较(jiao)高(gao)的(de)KAM值，而(er)β转(zhuan)变(bian)组织(zhi)中KAM值较(jiao)高处主要分布在(zai)次生α相的片(pian)层(ceng)之间。为(wei)了(le)对β转变组(zu)织(zhi)中(zhong)的(de)次(ci)生α相(xiang)和(he)残(can)余β相(xiang)做进(jin)一(yi)步的(de)分(fen)析(xi)，对(dui)图3（c）中方框区域(yu)进(jin)行扫描(miao)步(bu)长(zhang)为0.01μm的(de)EBSD观察(cha)，如图3（f）～（h）所(suo)示(shi)。与(yu)网篮(lan)组(zu)织(zhi)中(zhong)板(ban)条(tiao)状(zhuang)α相的(de)纵横(heng)交错(cuo)排列(lie)不(bu)同(tong)，β转变组织中(zhong)次生(sheng)α相
的(de)排列较(jiao)为(wei)规(gui)则(ze)，在(zai)次(ci)生α相的片(pian)层之间(jian)分布(bu)着(zhe)残余(yu)β相(xiang)（图3（f）和（g））。另外(wai)，残余β相的(de)KAM值较高(gao)，如(ru)图(tu)3（h）所(suo)示(shi)，存在(zai)较大的残(can)留应变。
2.2合金的(de)力(li)学(xue)性能(neng)
从(cong)原始组织的硬(ying)度测(ce)量(liang)结果(guo)得知，TC17和(he)TC4合(he)金(jin)的维(wei)氏(shi)硬(ying)度分别(bie)为380HV和320HV，网(wang)篮组织(zhi)的TC17合(he)金比双(shuang)态组织(zhi)的TC4合金(jin)具(ju)有(you)更高的(de)维氏硬(ying)度。图4为(wei)两(liang)种合(he)金(jin)在不同应变(bian)速率拉(la)伸(shen)实(shi)验下所得(de)到(dao)的(de)工程应(ying)力-应变曲(qu)线、真(zhen)应(ying)力-应变及(ji)加工(gong)硬化率(lv)曲(qu)线。如图4（a-1）、（b-1）所示(shi)，合金的(de)屈(qu)服强度(du)和(he)抗(kang)拉(la)强度(du)均(jun)随(sui)应变速率(lv)增(zeng)加呈现上升趋势(shi)，伸(shen)长(zhang)率则(ze)随应(ying)变速率(lv)增(zeng)加(jia)而(er)下(xia)降，表现出(chu)应(ying)变速(su)率强(qiang)化效应。从(cong)图(tu)4（a-2）、（b-2）中(zhong)可以看出(chu)，两种(zhong)合(he)金(jin)的加(jia)工(gong)硬化率(lv)在屈(qu)服(fu)之后逐渐下(xia)降(jiang)，且随着应变(bian)速率(lv)的增加，其(qi)下(xia)降速度逐渐加(jia)快(kuai)，加工硬(ying)化效应变差(cha)。在相(xiang)同应变速(su)率下(xia)，TC17相(xiang)较于TC4合金在(zai)屈(qu)服(fu)之后的(de)加工硬化(hua)率(lv)下降(jiang)较(jiao)慢(man)，表现(xian)出更好(hao)的(de)加(jia)工硬化效应。表(biao)2列出了(le)
两(liang)种合(he)金的(de)屈服强度(du)、抗(kang)拉强(qiang)度和总伸(shen)长(zhang)率，并对其进行了对比(bi)分析(xi)，如图(tu)5（a）、（b）所示(shi)。随着应(ying)变(bian)速(su)率(lv)的增加，TC17合金(jin)的屈服强(qiang)度(du)从(cong)1036MPa增加(jia)到(dao)1128MPa，抗拉(la)强度(du)从(cong)1123MPa增(zeng)加到(dao)1162MPa，上升幅度(du)对比屈服强度(du)略(lve)有降(jiang)低(di)。
TC4合金(jin)的(de)屈服强度(du)从818MPa增加到(dao)910MPa，抗(kang)拉(la)强度则(ze)从892MPa增加(jia)到(dao)949MPa。在(zai)相(xiang)同(tong)的应变(bian)速(su)率下，TC17合金(jin)的屈(qu)服强(qiang)度和(he)抗拉强度(du)均(jun)比(bi)TC4合(he)金高约200MPa。随(sui)着(zhe)应变(bian)速(su)率(lv)的增(zeng)加(jia)，两(liang)种合金的总伸长(zhang)率(lv)均(jun)呈现(xian)下(xia)降趋势，如(ru)TC17合(he)金(jin)的总伸长率从8.1%下降(jiang)到(dao)6.2%，而TC4合(he)金从9.3%下(xia)降到(dao)5.4%，综合比(bi)较发现(xian)TC4合金的(de)总(zong)伸(shen)长(zhang)率(lv)略(lve)高(gao)于TC17合(he)金，即(ji)其塑性较(jiao)好(hao)。
应变(bian)速(su)率(lv)敏(min)感性系(xi)数（m）是(shi)反(fan)映塑(su)性变形时合金的(de)流(liu)变(bian)应(ying)力对(dui)于应(ying)变速(su)率的(de)敏(min)感(gan)性程度(du)，即反映(ying)了应变速(su)率(lv)增加(jia)时合(he)金(jin)的强(qiang)化倾向，可通过式(shi)（1）
计算求得(de)：m=dσ/dln˙ε(1)
˙ε式(shi)中(zhong)：为应变速(su)率；σ为流(liu)变(bian)应(ying)力(li)。
图(tu)5为(wei)两(liang)种(zhong)合金在不同(tong)应(ying)变(bian)速率下(xia)的强度(du)、总(zong)伸长率(lv)和在不(bu)同真(zhen)应变(bian)下的(de)流变(bian)应力变化值(zhi)（Δσ）、应变(bian)速(su)率敏感性系(xi)数(shu)（m）。两种(zhong)合金的Δσ均为正(zheng)值，且随着(zhe)真(zhen)应(ying)变的增加而逐(zhu)渐减小(xiao)。
在相(xiang)同的(de)应变(bian)速率变化(hua)条件下(xia)，TC4合(he)金的(de)Δσ均高于TC17合金(jin)。基于(yu)不同应(ying)变(bian)速率(lv)下的(de)屈(qu)服(fu)强(qiang)度，计算得(de)到TC17和(he)TC4合金的(de)应(ying)变速(su)率(lv)敏感(gan)性系(xi)数(shu)（m）分别为(wei)15.6MPa和8.9MPa。此(ci)时(shi)m代(dai)表应变速率本身(shen)导致(zhi)的(de)流(liu)变(bian)应(ying)力增加，不需(xu)要考虑(lv)变形组织对(dui)流变应(ying)力(li)的影(ying)响(xiang)。随着应(ying)变(bian)的增加，流(liu)变应(ying)力的变(bian)化(hua)受到(dao)应变(bian)速(su)率和变形组织的(de)共(gong)同影响
[25]，高(gao)应变(bian)速率(lv)下(xia)迅速(su)增(zeng)殖(zhi)的(de)位(wei)错在(zai)相(xiang)界(jie)面处塞(sai)积而(er)阻(zu)碍位错(cuo)运动(dong)，造成应力(li)集中(zhong)，表现(xian)出正的应(ying)变(bian)速率(lv)敏感性(xing)。在(zai)真(zhen)应(ying)变(bian)增(zeng)加(jia)到(dao)0.04时，两种合金的(de)m分(fen)别减(jian)小到8.02MPa和5.06MPa。在(zai)相(xiang)同真应变下(xia)，TC17合(he)金(jin)的m值(zhi)更(geng)大，表(biao)现(xian)出更高(gao)的应变(bian)速(su)率(lv)敏感(gan)性(xing)。依(yi)据(ju)位错热激活(huo)理论，应变(bian)速率(lv)对(dui)屈(qu)服强度的影响依赖(lai)于位错与(yu)短(duan)程障碍(ai)的(de)交(jiao)互作(zuo)用(yong)，可(ke)以用(yong)位错热激(ji)活体积（ΔV）来表示，如式(shi)（2）所(suo)示(shi)：∆V=MkBT/m(2)
式(shi)中(zhong)：M为(wei)泰勒常(chang)数（M=3.06）；kB为(wei)玻尔兹(zi)曼(man)常(chang)数(shu)（kB=1.38×10-23J/K）；T为(wei)绝(jue)对(dui)温度(du)（T=298K）。对(dui)∆V的值通过b3归一(yi)化(hua)处(chu)理(li)，b为Burgers矢(shi)量(liang)。
在屈服点(dian)处(chu)，TC17和(he)TC4合(he)金的∆V分(fen)别为49b3和86b3，这(zhe)与合金中(zhong)固(gu)溶(rong)原子(zi)的强化(hua)作(zuo)用(yong)和晶格(ge)阻(zu)力(li)等因素(su)对(dui)位(wei)错(cuo)热激活行(xing)为的影(ying)响(xiang)有(you)关。随(sui)着(zhe)应(ying)变的(de)增加，位(wei)错(cuo)热(re)激活(huo)行(xing)为还与(yu)相界面处(chu)的几(ji)何必(bi)须位(wei)错(cuo)密度(du)有(you)关(guan)[25]。
2.3合(he)金拉伸试(shi)样的(de)变形(xing)组织
图(tu)6为(wei)TC17和(he)TC4合(he)金(jin)拉(la)伸(shen)试(shi)样断口附(fu)近变形(xing)组(zu)织(zhi)的OM图。TC17合(he)金的断口裂纹(wen)扩展路径不(bu)规则(ze)，裂纹起(qi)伏(fu)程(cheng)度(du)较大(da)，不(bu)同(tong)应变速率(lv)下的试(shi)样(yang)断(duan)口处(chu)均(jun)观(guan)察(cha)到(dao)锐利峰(feng)（图6（a-1）、（a-2））。TC4合(he)金在不同应变(bian)速(su)率下(xia)的(de)试(shi)样断口(kou)较为平(ping)整(zheng)，断口(kou)处(chu)未出现(xian)锐(rui)利峰(feng)，裂纹起(qi)伏(fu)程度小（图6（b-1）、（b-2））。进(jin)一(yi)步(bu)使用(yong)ImageJ软件(jian)对断口(kou)裂(lie)纹(wen)扩展(zhan)距离(li)进(jin)行(xing)定量测(ce)量，结果(guo)如图7所(suo)示(shi)。同一种(zhong)合(he)金在(zai)不(bu)同(tong)应(ying)变(bian)速(su)率(lv)下断口裂纹(wen)扩展(zhan)距(ju)离(li)差(cha)距(ju)较(jiao)小(xiao)，TC17和(he)TC4合金分别为(wei)18mm和15mm，这说明(ming)应(ying)变速率(lv)对(dui)合(he)金(jin)的(de)断口裂(lie)纹扩展距离(li)影(ying)响不大。在相(xiang)同(tong)应变(bian)速率(lv)条(tiao)件下(xia)，TC17合金的断口(kou)裂纹(wen)扩展(zhan)距离(li)大(da)于(yu)TC4合(he)金，这(zhe)与断(duan)口处裂(lie)纹起(qi)伏程度有(you)关。如图(tu)6（a-1）、（a-2）的局部放(fang)大(da)图所示(shi)，在(zai)TC17合(he)金的网(wang)篮组(zu)织中，交错(cuo)排列的板条(tiao)状(zhuang)α相(xiang)容易(yi)使断口裂纹在(zai)扩展(zhan)过(guo)程(cheng)中发(fa)生偏转(zhuan)，从(cong)而导(dao)致断(duan)口(kou)形(xing)状不(bu)规(gui)则。裂(lie)纹在尖(jian)端(duan)应(ying)力集(ji)中的(de)作用(yong)下(xia)扩展并穿过β晶(jing)粒，当(dang)裂(lie)纹遇到(dao)不同位(wei)向(xiang)β晶(jing)粒时(shi)，裂纹扩展(zhan)方(fang)向将发(fa)生(sheng)偏(pian)离并沿(yan)晶(jing)界处连续(xu)分布的(de)α相(xiang)扩展(zhan)。另(ling)外，板(ban)条状α相与(yu)残余(yu)β相(xiang)形成(cheng)了(le)大(da)量的(de)相(xiang)界面，微裂(lie)纹(wen)易在相(xiang)界(jie)面(mian)处萌(meng)生并扩(kuo)展(zhan)，导致(zhi)主裂(lie)纹分叉(cha)，进一步(bu)增(zeng)加了(le)裂(lie)纹(wen)的(de)扩(kuo)展距离(li)[26]。裂(lie)纹(wen)扩(kuo)展距离长，扩展(zhan)过程中需(xu)要消耗更(geng)多的能量(liang)，提高(gao)了合(he)金(jin)抵(di)抗裂(lie)纹失稳扩展的能力(li)。从(cong)图(tu)6（b-1）、（b-2）的局部放大(da)图中(zhong)可以(yi)看出(chu)，双态(tai)组(zu)织中的初(chu)生α相呈(cheng)等(deng)轴状(zhuang)，具有(you)较好的(de)协(xie)调变(bian)形(xing)能力，当初生α相(xiang)分(fen)布(bu)在β转变(bian)组织的(de)晶界处时，会(hui)对微裂(lie)纹(wen)萌生过(guo)程产(chan)生抑制作用(yong)[12]，因(yin)此在TC4合(he)金的断(duan)口(kou)裂(lie)纹(wen)附近(jin)未(wei)观察(cha)到微裂(lie)纹。另(ling)外，β转变(bian)组织中(zhong)次(ci)生(sheng)α相(xiang)排列(lie)较为(wei)规(gui)则，裂纹穿过β转变(bian)组织(zhi)时(shi)难以(yi)随意(yi)偏转，从(cong)而(er)使断(duan)口形状较(jiao)为平(ping)整。裂(lie)纹在(zai)扩(kuo)展(zhan)过程中未(wei)出现(xian)较大的起伏(fu)，消耗的(de)能(neng)量(liang)较少(shao)，阻(zu)碍(ai)后续裂(lie)纹失(shi)稳(wen)扩(kuo)展的(de)能力(li)较(jiao)弱(ruo)。
图(tu)8为(wei)两(liang)种(zhong)合金在1×10−3s−1下断(duan)口(kou)附(fu)近(jin)变(bian)形(xing)组织的(de)EBSD图(tu)。图8（a1-1）～（a1-3）为(wei)TC17合金在1×10−3s−1应(ying)变速率(lv)下(xia)的(de)变(bian)形(xing)组织EBSD图（扫描(miao)步长为0.6μm）。断(duan)口(kou)处(chu)主(zhu)裂纹(wen)在扩(kuo)展(zhan)过程中(zhong)分叉(cha)形(xing)成微裂(lie)纹，微(wei)裂(lie)纹(wen)发(fa)生穿(chuan)晶(jing)断裂(lie)，穿过(guo)大(da)量(liang)的(de)板条状(zhuang)α相继续扩展(zhan)。为了分析微裂纹(wen)的扩展情(qing)况(kuang)，对微(wei)裂(lie)纹(wen)尖(jian)端区(qu)域(yu)做了进一步(bu)的BSD分析（扫描步长(zhang)为0.1μm），如图8（a2-1）～（a2-3）所(suo)示。微(wei)裂纹(wen)尖(jian)端(duan)区域(yu)有沿(yan)着α/β相界(jie)面(mian)继续扩展的(de)趋(qu)势，且在(zai)β晶(jing)粒(li)的晶(jing)界处(chu)再次分(fen)叉，形成(cheng)更(geng)为(wei)细(xi)小的(de)微(wei)裂纹（图8（a2-1））。板(ban)条(tiao)状α相(xiang)间分(fen)布(bu)着(zhe)残余(yu)β相(xiang)（图8（a2-2）），在微(wei)裂纹附(fu)近(jin)的残余(yu)β相发生(sheng)了较(jiao)大程(cheng)度(du)的变(bian)形，难(nan)以被(bei)很(hen)好(hao)地(di)解析(xi)标定。相(xiang)较于板(ban)条(tiao)状α相，残余(yu)β相具(ju)有更(geng)高(gao)的KAM值(zhi)，如(ru)图(tu)8（a2-3）所示。由(you)于(yu)网篮(lan)组织中(zhong)大量(liang)的板(ban)条(tiao)状α相交(jiao)错(cuo)排(pai)列(lie)，导致α/β相界面较多，相界面(mian)容易对(dui)位(wei)错滑移产(chan)生阻碍(ai)作(zuo)用(yong)，导(dao)致(zhi)位(wei)错运动(dong)的(de)平(ping)均自由(you)行(xing)程(cheng)短(duan)。同(tong)时(shi)，位错容易(yi)在(zai)α/β相(xiang)界面处(chu)发(fa)生塞(sai)积(ji)，形(xing)成(cheng)应力集中(zhong)，也促(cu)进(jin)了相(xiang)界面处(chu)的(de)微裂(lie)纹萌生。
图(tu)8（b-1）～（b-3）为TC4合(he)金(jin)在(zai)1×10−3s−1应变速(su)率下的变(bian)形组(zu)织(zhi)EBSD图（扫(sao)描步(bu)长为0.1μm）。
断口(kou)裂(lie)纹在(zai)扩(kuo)展(zhan)过(guo)程中发(fa)生了(le)穿晶(jing)断(duan)裂(lie)，穿过片层(ceng)状(zhuang)的次生(sheng)α相(xiang)（图8（b-1）），且(qie)未观(guan)察到(dao)微(wei)裂(lie)纹。图8（b-2）中(zhong)只显(xian)示出(chu)少量(liang)的残(can)余(yu)β相(xiang)，且(qie)难(nan)以被(bei)很(hen)好(hao)地(di)解(jie)析标(biao)定(ding)。从(cong)图(tu)8（b-3）中也(ye)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，初(chu)生(sheng)α相(xiang)和(he)片层状(zhuang)的(de)次生(sheng)α相具有(you)较(jiao)低(di)的KAM值，而分布在(zai)α相(xiang)间(jian)的(de)残(can)余(yu)β相(xiang)的KAM值(zhi)较(jiao)高(gao)，变(bian)形程度(du)更(geng)大。对于双态组(zu)织，初生(sheng)α相(xiang)呈等轴状(zhuang)，具有较好(hao)的(de)协(xie)调变(bian)形能(neng)力(li)，位错运动(dong)至(zhi)初(chu)生(sheng)α相时所(suo)受(shou)的(de)阻碍(ai)作用(yong)较(jiao)小(xiao)，且(qie)位(wei)错运动(dong)的平(ping)均自(zi)由(you)行程长。
另外，β转(zhuan)变(bian)组织中(zhong)的(de)次(ci)生α相(xiang)排列(lie)方式导致(zhi)α/β相(xiang)界面减少(shao)，对(dui)位错运动的阻碍(ai)作用减弱(ruo)。因(yin)此与网篮(lan)组(zu)织(zhi)相比，双态组(zu)织(zhi)的强度较低(di)而(er)塑(su)性变(bian)形能(neng)力(li)较(jiao)好。
2.4合金拉(la)伸试(shi)样的断(duan)口形貌(mao)
图(tu)9为TC17和(he)TC4合(he)金(jin)分别在1×10−5s−1和(he)1×10−3s−1应变(bian)速率下(xia)的拉伸(shen)断口(kou)形(xing)貌SEM图。如图9（a-1）、（a-2）的局部(bu)放大图所示，TC17合金断(duan)口凹凸不(bu)平(ping)，断口(kou)表(biao)面观察(cha)到锋(feng)利(li)的(de)凸起峰和(he)裂(lie)纹形(xing)貌(mao)。断(duan)口(kou)处(chu)包含(han)大量(liang)尺(chi)寸较(jiao)小的(de)韧(ren)窝(wo)，大(da)部分韧(ren)窝形状呈(cheng)现(xian)椭(tuo)圆形(xing)，韧(ren)窝(wo)周(zhou)围分(fen)布(bu)着微孔(kong)。另(ling)外(wai)断口(kou)处裂纹较(jiao)深，裂(lie)纹(wen)处(chu)呈(cheng)现(xian)撕(si)裂状(zhuang)台阶形貌，且裂(lie)纹(wen)附(fu)近(jin)存(cun)在(zai)拉(la)长(zhang)韧(ren)窝(wo)。从(cong)图(tu)9（a-1）、（a-2）的(de)局(ju)部放大图中可以看出(chu)，与(yu)TC17合(he)金相比，TC4合(he)金(jin)的断口(kou)较为平整，断口处凸起(qi)少(shao)且较(jiao)为(wei)钝化。断口表(biao)面存在着(zhe)尺寸较(jiao)大的韧(ren)窝(wo)，韧窝周(zhou)围同样(yang)分(fen)布着(zhe)大量的(de)微(wei)孔。断(duan)口(kou)表(biao)面未观(guan)察(cha)到(dao)裂纹形貌，韧(ren)窝拉(la)长的现(xian)象(xiang)不(bu)明(ming)显(xian)。与(yu)TC17相比(bi)，TC4合金断(duan)口的韧窝(wo)和(he)微(wei)孔的尺(chi)寸均(jun)有(you)所(suo)增大。图(tu)10统计(ji)了两种合金(jin)在(zai)不(bu)同应(ying)变(bian)速(su)率(lv)拉(la)伸(shen)后(hou)断口(kou)处单位面(mian)积（100μm2）的韧窝数目。单(dan)位(wei)面(mian)积(ji)内(nei)的韧(ren)窝(wo)数目越(yue)多(duo)，表(biao)明(ming)单(dan)个韧窝(wo)的尺寸(cun)越(yue)小(xiao)。从(cong)图10可(ke)以(yi)看出(chu)，随(sui)着应(ying)变(bian)速率(lv)的(de)增(zeng)加，两(liang)种合(he)金单(dan)位(wei)面积(ji)内的韧(ren)窝(wo)数目均(jun)呈现(xian)出(chu)增多(duo)的(de)趋势(shi)。在相同应变速(su)率下(xia)，TC17合金(jin)单(dan)位面积(ji)内(nei)的(de)韧窝(wo)数目(mu)多于TC4合(he)金。位错在运(yun)动过(guo)程(cheng)中容(rong)易在(zai)相界(jie)面处(chu)发(fa)生塞(sai)积而(er)形(xing)成(cheng)应(ying)力(li)集(ji)中，促(cu)进(jin)微孔形(xing)核(he)，微孔(kong)形(xing)核后长大(da)并(bing)聚(ju)集(ji)形成韧窝[27]。相比于网(wang)篮组织(zhi)，双(shuang)态(tai)组(zu)织中α/β相(xiang)界(jie)面较(jiao)少(shao)，从(cong)而使(shi)微(wei)孔(kong)形(xing)核较少(shao)。微(wei)孔聚(ju)集(ji)形(xing)成(cheng)的(de)韧(ren)窝(wo)数(shu)目(mu)较(jiao)少，单个韧窝(wo)尺寸更大(da)，相对(dui)应的(de)合(he)金(jin)塑性较好。
3、结(jie)论(lun)
（1）TC17和(he)TC4钛合金(jin)锻件(jian)的(de)屈(qu)服强度(du)和(he)抗拉强(qiang)度随(sui)应(ying)变(bian)速(su)率(lv)的(de)增加逐(zhu)渐(jian)升高，表现出(chu)应(ying)变速率(lv)强(qiang)化(hua)效应，且两(liang)种合(he)金(jin)的(de)总伸(shen)长(zhang)率(lv)呈(cheng)现(xian)下降(jiang)趋势。在相(xiang)同应(ying)变速率(lv)下，TC17合金具有较(jiao)好(hao)的强塑性匹配(pei)，而(er)TC4合金强(qiang)度(du)较(jiao)低且塑(su)性较(jiao)好。两种合金均表现(xian)为(wei)正流(liu)变应(ying)力的(de)应变速率(lv)敏(min)感(gan)性，且应(ying)变(bian)速(su)率敏(min)感性(xing)系数(shu)随真应(ying)变(bian)增(zeng)加呈现减(jian)小(xiao)的趋(qu)势。
（2）TC17和(he)TC4合(he)金(jin)的(de)原始(shi)组(zu)织(zhi)分(fen)别为网(wang)篮组(zu)织和双态组(zu)织(zhi)，除(chu)合(he)金(jin)元(yuan)素(su)的固溶强化外(wai)，网(wang)篮组(zu)织中由于板(ban)条(tiao)状(zhuang)α相(xiang)与(yu)残(can)余(yu)β相交(jiao)错(cuo)排(pai)列，相界面(mian)较多，容(rong)易产(chan)生位(wei)错塞积，强度(du)相对(dui)较高(gao)；而(er)双态(tai)组织(zhi)中初生α相(xiang)具有较(jiao)好的协(xie)调(diao)变(bian)形(xing)能(neng)力，且β转变组织中(zhong)片(pian)层次(ci)生(sheng)α相排(pai)列较为规则，对位错(cuo)的(de)阻(zu)碍(ai)作(zuo)用较小(xiao)，强(qiang)度(du)相(xiang)对(dui)较(jiao)低。
（3）TC17合(he)金网(wang)篮组织(zhi)中(zhong)相界(jie)面(mian)较(jiao)多(duo)，位错(cuo)易在相(xiang)界面处塞积，产生应(ying)力(li)集中(zhong)，促进微孔(kong)形(xing)核并长大聚(ju)集形成大量(liang)小(xiao)尺(chi)寸韧(ren)窝(wo)，降低了(le)合金塑(su)性(xing)。TC4合金双(shuang)态(tai)组(zu)织中相(xiang)界(jie)面(mian)较少(shao)，微孔(kong)形(xing)核减(jian)少，导(dao)致断口处(chu)韧(ren)窝数目(mu)少且(qie)韧窝尺(chi)寸(cun)大，合金(jin)的塑性(xing)较好(hao)。
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收稿日期(qi)：2022-11-10；修订(ding)日期：2022-12-12
基金项(xiang)目：辽宁省航(hang)空(kong)发(fa)动(dong)机(ji)冲击动力学(xue)重点(dian)实验室开(kai)放基(ji)金(jin) 项 目 （ JC36021050017） ； 国 家(jia) 自(zi) 然 科 学 基(ji) 金 项(xiang) 目（52071051）
通讯(xun)作(zuo)者：闵(min)小(xiao)华（1974—），男，博(bo)士，教(jiao)授，主(zhu)要从事(shi)高(gao)性能钛(tai)合(he)金(jin)研(yan)究(jiu)，联系地址(zhi)：辽宁省大连(lian)市大(da)连(lian)理(li)工(gong)大学材(cai)料(liao)科(ke)学与工(gong)程(cheng)学(xue)院(yuan)（116024），E-mail: minxiaohua@http://www.gzhwkf.com
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