1、前言(yan)
TC11钛合金相(xiang)当(dang)于(yu)前苏联(lian)的BT9，其(qi)名义(yi)成(cheng)分为(wei)Ti－6.5Al－3.5Mo－1.5Zr－0.25Si，属(shu)高(gao)铝(lv)当量(liang)马氏体(ti)型(xing)α+β两(liang)相(xiang)钛合金(jin)。这种合(he)金(jin)具有(you)很高(gao)的强(qiang)度，主要(yao)用(yong)于制作飞(fei)机发(fa)动机压(ya)气机盘、叶片和叶轮等(deng)关键(jian)零部(bu)件(jian)，是(shi)目(mu)前航空工业上应用(yong)最(zui)广泛(fan)的钛合金(jin)之(zhi)一(yi)［1］。
我(wo)国(guo)海洋(yang)浮(fu)体连(lian)接件(jian)一(yi)般(ban)用(yong)不锈钢薄壁环(huan)材制(zhi)作。为(wei)了(le)降(jiang)低浮体的(de)重(zhong)量，拟(ni)用TC11合金(jin)制作(zuo)规(gui)格为(wei)φ630mm/φ530mm×300mm的连接件(jian)。由于该连接(jie)件(jian)要(yao)承受(shou)大(da)的作(zuo)用力(li)，因此(ci)要求环材的力学性(xing)能(neng)达(da)到(dao)Rm≥1100MPa、Rp0.2≥1000MPa、A≥10%、Z≥20%，这(zhe)比GJB494A—2008标(biao)准中规定(ding)TC11叶(ye)片(pian)棒(bang)材的(de)强度(du)指(zhi)标高出70MPa，且(qie)塑性指标相(xiang)当(dang)。本(ben)研(yan)究通(tong)过热(re)处(chu)理的方(fang)式(shi)提(ti)高(gao)TC11合(he)金(jin)薄壁(bi)环(huan)材(cai)的强(qiang)度，以满足海洋浮体(ti)的(de)使用(yong)要求(qiu)。
2、实验(yan)
选(xuan)用优质小颗粒海绵钛、纯(chun)铝、纯锆及钼(mu)中(zhong)间合(he)金(jin)作为(wei)实验原(yuan)料(liao)，按(an)名义(yi)成(cheng)分配料(liao)、压制(zhi)电(dian)极(ji)，经3次真空(kong)自耗电(dian)弧(hu)熔炼，得到(dao)TC11钛(tai)合金(jin)铸锭，其化(hua)学成分(fen)符合GB3620标准(zhun)要求(qiu):Al6.0%～6.8%、Mo2.8%～3.8%、Zr1.0%～2.0%、Si0.20%～0.35%、Fe≤0.25%、C≤0.10%、N≤0.05%、O≤0.15%。铸(zhu)锭(ding)(α+β)/β相转变(bian)温(wen)度为990～1010℃。
将(jiang)铸(zhu)锭加热(re)到(dao)相(xiang)变(bian)点以上温度(du)保(bao)温一定(ding)时间，出(chu)炉后在(zai)1250t水(shui)压(ya)机上进行(xing)1～2火自由锻(duan)镦－拔(ba)变形(xing)，以(yi)增加单相(xiang)区(qu)变形(xing)量(liang)。随(sui)后(hou)在(zai)3150t水(shui)压机上锻造，加(jia)热温(wen)度(du)为相变(bian)点(dian)以上30～100℃，同时(shi)合(he)理控制(zhi)锻(duan)造工(gong)艺参(can)数，β相(xiang)区变形量大(da)于70%。
单件(jian)制(zhi)坯(pi)后(hou)在1250t水(shui)压机上分多(duo)火(huo)次(ci)进(jin)行(xing)环材(cai)制(zhi)备(bei)，有(you)镦粗、拔(ba)长(zhang)、冲孔、扩(kuo)孔(kong)整(zheng)形和轧环等(deng)工(gong)艺(yi)，加(jia)热温度(du)为(wei)相(xiang)变点(dian)以(yi)下(xia)20～40℃，两(liang)相区(qu)变(bian)形量(liang)达(da)60%～90%。从环材(cai)上切(qie)取(qu)用(yong)于(yu)室温(wen)力学(xue)性能测试(shi)的(de)试(shi)样坯料(liao)，分(fen)别(bie)选(xuan)用5种固溶温度、3种(zhong)固(gu)溶(rong)冷却(que)方(fang)式(shi)和5种时(shi)效温(wen)度进(jin)行(xing)热处理(li)研究(jiu)，然后进(jin)行室温拉伸试验(yan)，确定(ding)最佳(jia)的(de)热(re)处(chu)理制(zhi)度(du)。最(zui)后(hou)用(yong)确定(ding)的热(re)处理制(zhi)度对环材整体(ti)进行热(re)处理，并(bing)对(dui)热处(chu)理(li)后的(de)环材(cai)进行室温力(li)学性能测(ce)试和显微相组(zu)织观察。
3、结果(guo)与(yu)讨论(lun)
3.1固溶温(wen)度(du)对TC11合(he)金(jin)环材(cai)力(li)学(xue)性(xing)能(neng)的影响
选取了(le)850、880、920、950和(he)980℃5种固溶(rong)温(wen)度(du)，时(shi)效制(zhi)度为530℃×6h/AC的(de)热处理(li)制(zhi)度对(dui)TC11合(he)金环(huan)材试(shi)样(yang)进行(xing)处理。热(re)处理(li)后(hou)试(shi)样(yang)的力学性能(neng)测(ce)试(shi)结(jie)果(guo)见表1。
由(you)固溶处(chu)理后试样的力(li)学(xue)性能测(ce)试(shi)结(jie)果(guo)可(ke)知:随(sui)着固(gu)溶(rong)温(wen)度(du)的(de)升高，TC11合(he)金(jin)环(huan)材的屈服(fu)强(qiang)度(du)、抗拉强(qiang)度(du)和断(duan)面(mian)收缩(suo)率(lv)相差(cha)不(bu)大(da)，但当固(gu)溶温度高(gao)于900℃时伸(shen)长(zhang)率(lv)提(ti)高(gao)了(le)30%～40%，提(ti)高幅度较(jiao)大。综(zong)合来(lai)看，950℃×1h/AC的固(gu)溶制度能(neng)够使(shi)TC11合金环(huan)材的(de)强度和塑性(xing)达到(dao)较好(hao)的匹(pi)配(pei)，但(dan)强(qiang)度不(bu)能满足(zu)要求(qiu)。
3.2固(gu)溶冷(leng)却(que)方式(shi)对(dui)TC11合金(jin)环材(cai)力学性(xing)能(neng)的影响
选(xuan)取(qu)固(gu)溶(rong)温度为950℃，保(bao)温(wen)1h，分(fen)别(bie)进行(xing)空(kong)冷(leng)、风冷、水(shui)冷(leng)等(deng)不(bu)同冷(leng)却(que)速(su)度(du)的(de)热(re)处(chu)理实(shi)验，时(shi)效制(zhi)度(du)为530℃×6h/AC。热处(chu)理后试样力学性(xing)能(neng)测试结果见(jian)表(biao)2。
对(dui)比3种冷(leng)却方式对试(shi)样(yang)力(li)学(xue)性能(neng)的影响(xiang)可知(zhi)，随(sui)着固(gu)溶(rong)冷(leng)却(que)速度(du)的加(jia)快(kuai)，试(shi)样(yang)强(qiang)度提(ti)高，且(qie)采(cai)用(yong)水(shui)冷方式时(shi)塑(su)性下(xia)降(jiang)明(ming)显(xian)。其中，经风冷冷却(que)比空冷冷(leng)却(que)后的(de)强度(du)略(lve)有提(ti)高(gao)，塑性无(wu)明显变化(hua)，采用(yong)水冷(leng)方(fang)式强度则(ze)提高了150～250MPa，塑性(xing)下降(jiang)。
总之(zhi)，风冷(leng)和空(kong)冷均不能使(shi)强(qiang)度满足要求，而采(cai)用(yong)水(shui)冷不(bu)能(neng)使(shi)塑(su)性满足(zu)要(yao)求，因此，不能通(tong)过(guo)单纯改变(bian)冷却方式使试(shi)样(yang)力学性能满足要(yao)求。
3.3时(shi)效温度(du)对(dui)TC11合(he)金环材力(li)学性(xing)能的(de)影(ying)响(xiang)
根(gen)据(ju)3.1节和(he)3.2节(jie)结(jie)论，选择(ze)高于(yu)900℃的固溶(rong)温度及水冷(leng)的(de)冷(leng)却(que)方式(shi)进行时(shi)效温(wen)度(du)实验，这样不(bu)仅可(ke)提高(gao)强度(du)，而(er)且(qie)不(bu)会过多的(de)损伤(shang)塑性(xing)，因此(ci)，确定固溶制(zhi)度为(wei)930℃×1.5h/WC。选取(qu)500、530、580、620和(he)650℃5个时(shi)效(xiao)温度(du)，时(shi)效热处理(li)时间均为(wei)6h，时效(xiao)后(hou)空冷(leng)。热(re)处理(li)后试样力(li)学性能(neng)测试结果(guo)见(jian)表(biao)3。
从表3可(ke)以(yi)看出(chu)，随着时(shi)效温度(du)的升高(gao)，TC11合金(jin)环材的(de)强(qiang)度(du)下(xia)降(jiang)，塑(su)性(xing)提(ti)高。当(dang)时效温度(du)低于580℃时(shi)，其塑性(xing)不(bu)能满足环(huan)材力(li)学性能的(de)要(yao)求;当时(shi)效温(wen)度(du)大(da)于(yu)600℃时，抗(kang)拉(la)强(qiang)度(du)和屈(qu)服(fu)强(qiang)度值(zhi)下降(jiang)较(jiao)明显(xian)，因此时(shi)效温度不宜(yi)超(chao)过600℃。在(zai)930℃×1.5h/WC+580℃×6h/AC固(gu)溶时(shi)效处理(li)后的强(qiang)度(du)比(bi)时(shi)效温度大于(yu)580℃的(de)强度高，塑(su)性值(zhi)相当，但(dan)塑(su)性(xing)值(zhi)没有任(ren)何(he)富余量，因此简(jian)单(dan)的(de)双重(zhong)热处理(li)不能(neng)满(man)足(zu)研(yan)究要(yao)求，需(xu)要(yao)对TC11合(he)金(jin)环材进行(xing)三(san)重(zhong)热处(chu)理。
3.4三(san)重(zhong)热处(chu)理(li)对(dui)TC11合金(jin)环材(cai)力(li)学性能的(de)影(ying)响
TC11合金(jin)薄壁环(huan)材(cai)第一(yi)重热(re)处理按3．1节(jie)结(jie)论(lun)选(xuan)择(ze)950℃×1h/AC固溶(rong)处(chu)理(li)，主要目的(de)是调(diao)整(zheng)初(chu)生(sheng)α相(xiang)和转变β之(zhi)间的比(bi)例，达(da)到(dao)强度和塑(su)性的(de)较(jiao)好(hao)配比，提(ti)高(gao)塑性值(zhi)
［2］。第二(er)重(zhong)热处(chu)理(li)按(an)3．2节结论(lun)选(xuan)择930℃×1.5h/WC固(gu)溶处理(li)，使室(shi)温拉(la)伸强度提高(gao)20%～30%，进(jin)行固溶强(qiang)化。第(di)三(san)重热处(chu)理按3．3节(jie)结(jie)论选择580℃×6h/AC时效(xiao)处(chu)理(li)，起弥散(san)强化作用，室(shi)温(wen)拉(la)伸(shen)强度略有提(ti)高，塑性(xing)保(bao)持(chi)不(bu)变。所(suo)以(yi)最(zui)终(zhong)的(de)热(re)处理制(zhi)度(du)为(wei)950℃×1h/AC+930℃×1.5h/WC+580℃×6h/AC。表4为TC11合(he)金(jin)薄壁(bi)环材试样(yang)和整(zheng)体(ti)经(jing)过三(san)重(zhong)热(re)处(chu)理(li)后的力学性(xing)能。
从表4可(ke)以看(kan)出，TC11合金环材试(shi)样(yang)经三重(zhong)热处理(li)后(hou)的(de)强(qiang)度较双重(zhong)热处理试(shi)样的强(qiang)度相(xiang)当(dang)，塑(su)性(xing)提高(gao);整体(ti)热处(chu)理(li)比试样(yang)热处(chu)理的(de)强度值(zhi)低(di)、塑性(xing)值(zhi)高，这(zhe)是因为(wei)整(zheng)体(ti)热处(chu)理的冷却(que)速(su)度(du)较(jiao)试(shi)样(yang)热(re)处理(li)慢，与(yu)3.2节(jie)分析结果一致(zhi)。
3.5显(xian)微(wei)组(zu)织(zhi)
TC11合(he)金(jin)薄壁(bi)环(huan)材(cai)经(jing)过(guo)950℃×1h/AC+930℃×1.5h/WC+580℃×6h/AC整体(ti)热处理后，从环(huan)材(cai)上(shang)直(zhi)接(jie)取(qu)样观(guan)察(cha)显(xian)微(wei)组织(zhi)，结(jie)果(guo)见(jian)图(tu)1。由图1可(ke)见，环(huan)材(cai)整(zheng)体(ti)经(jing)三(san)重热处(chu)理(li)后的(de)显(xian)微组(zu)织由等(deng)轴α相(xiang)和β转(zhuan)变(bian)组织(zhi)组成(cheng)，α相分(fen)布(bu)均分，无长(zhang)条和大块(kuai)α相。这(zhe)种组织(zhi)状态具(ju)有优(you)良的(de)强(qiang)度和塑(su)性(xing)匹配［3］。
4、结(jie)论(lun)
规(gui)格为(wei)φ630mm/φ530mm×300mm的(de)TC11合(he)金薄壁环(huan)材(cai)通过950℃×1h/AC+930℃×1.5h/WC+580℃×6h/AC三重热处(chu)理(li)，可(ke)以(yi)使(shi)室温拉(la)伸(shen)性(xing)能达(da)到(dao)Rm≥1100MPa、Rp0.2≥1000MPa、A≥10%、Z≥20%。显微(wei)组织(zhi)由(you)等(deng)轴(zhou)α相和(he)β转(zhuan)变(bian)组织组成(cheng)，α相分布(bu)均(jun)分，无长(zhang)条(tiao)和(he)大块(kuai)α相。
参考文献(xian)
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