發(fā)布日期：2025-3-11 11:28:46
鈦及鈦合金具有低熱導(dǎo)率、低膨脹系數(shù)、高韌性以及耐低溫等優(yōu)點(diǎn)，在低溫發(fā)動機(jī)、低溫超導(dǎo)零部件、海洋工程、航空發(fā)動機(jī)等領(lǐng)域均有大量應(yīng)用[1-2]。
TC11鈦合金作為一種十分典型的兩相鈦合金，具有良好的熱加工性能與力學(xué)性能[3-4]，其可用于制造飛機(jī)、發(fā)動機(jī)、直升機(jī)等航空航天器的結(jié)構(gòu)件和零部件，也可用于制造石油化工設(shè)備中的反應(yīng)器、換熱器、管道等部件，其優(yōu)異的力學(xué)性能在未來有望在其他領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。
因為TC11鈦合金的廣泛應(yīng)用，目前對該合金的研究也十分多樣性，例如白鷺等[5]研究了時效對熱旋壓TC11鈦合金組織及性能的影響，發(fā)現(xiàn)TC11鈦合金經(jīng)雙重退火處理后，經(jīng)熱旋壓后合金的抗拉強(qiáng)度與硬度值明顯提高，當(dāng)再進(jìn)行一次時效處理后，合金抗拉強(qiáng)度和硬度得到進(jìn)一步提高。陳軍紅等[6]研究了TC11鈦合金應(yīng)變率相關(guān)的拉伸行為，發(fā)現(xiàn)TC11鈦合金的屈服強(qiáng)度隨著應(yīng)變速率的提高而增大，無論處于準(zhǔn)靜態(tài)或者動態(tài)拉伸條件下，合金均產(chǎn)生剪切斷裂，但韌窩尺寸有所差別。而關(guān)于TC11熱處理的研究也較多，例如岳旭等[7]研究時效溫度對TC11鈦合金組織與力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)時效處理后，組織中析出較多αｓ相，且時效溫度升高會導(dǎo)致合金強(qiáng)度升高，塑性降低。朱寧遠(yuǎn)等[8]研究了固溶時效處理對TC11鈦合金顯微組織和硬度的影響，發(fā)現(xiàn)固溶溫度的高度會影響初生α相含量，固溶時間會影響晶界α相尺寸，固溶溫度的增加會使硬度呈現(xiàn)先降低再趨于穩(wěn)定的趨勢。
雖然關(guān)于TC11鈦合金的研究較多，但熱處理仍是工程應(yīng)用中最常見的工藝，而固溶時效則是熱處理
工藝中最為常用的方法。關(guān)于對TC11鈦合金固溶時效的研究中[8-10]，目前主流的固溶溫度區(qū)間均為兩相區(qū)溫度，而關(guān)于單相區(qū)溫度的固溶處理少有報道，故本文根據(jù)目前研究現(xiàn)狀以及工程應(yīng)用，分別設(shè)置單相區(qū)與兩相區(qū)溫度對TC11鈦合金進(jìn)行固溶處理，隨后進(jìn)行時效處理，以探究TC11鈦合金經(jīng)不同固溶時效處理后的微觀組織形貌與拉伸性能變化，為該合金的工程應(yīng)用做出理論參考。
1、試驗方案與材料
本研究的試驗材料是直徑為130mm的TC11鈦合金棒材，通過ＡｖｉO500型等離子體發(fā)射光譜儀對原
材料進(jìn)行了化學(xué)成分分析，結(jié)果顯示其具體化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：6.59％Al、1.57％Zr、3.14％Mo、0.209％O、0.193％Fe、0.30％Si、余量為Ti。通過連續(xù)升溫金相法測試試驗材料的相變點(diǎn)溫度為993℃。
根據(jù)合金的相變點(diǎn)溫度，設(shè)置包含兩相區(qū)以及單相區(qū)的固溶溫度，隨后設(shè)置固定的時效溫度進(jìn)行時效處理。具體固溶時效熱處理制度見表1，其中WC代表加熱結(jié)束后進(jìn)行水冷，AC代表加熱結(jié)束后進(jìn)行空冷，合金的固溶時效使用ＨＢ-2Ｘ型箱式電阻爐進(jìn)行加熱處理。待合金經(jīng)不同溫度的固溶時效處理后，使用線切割對合金進(jìn)行切割處理，隨后進(jìn)行室溫拉伸性能測試并使用拉伸試樣的尾部位置進(jìn)行微觀組織形貌觀察。關(guān)于合金的微觀組織形貌觀察，首先通過不同目數(shù)的砂紙進(jìn)行粗磨，再進(jìn)行細(xì)磨、機(jī)械拋光等步驟制樣，隨后使用配比HF:HNO3:H2O＝1:3:180的腐蝕溶液進(jìn)行腐蝕處理，最后在型號為ＸＪＰ-6Ａ的金相顯微鏡上觀察合金微觀組織。合金的室溫拉伸性能在ＩＮＳＴＲOＮ型萬能試驗機(jī)進(jìn)行測試，測試標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)ＧＢ／Ｔ228.1-2010中相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。拉伸測試完成后，使用超聲波清洗儀對拉伸斷口進(jìn)行去雜質(zhì)處理，并在ＺＥＩＳＳＳｕｐｒａ型掃描電子顯微下進(jìn)行拉伸斷口形貌觀察與分析。
2、試驗結(jié)果分析
2.1 微觀組織分析
圖1為TC11鈦合金經(jīng)不同固溶時效溫度處理后的微觀組織形貌。在固溶溫度為940℃時（圖1（ａ）），合金的微觀組織類型為雙態(tài)組織，其主要由初生α相（位置Ａ）以及β轉(zhuǎn)變組織（位置Ｂ）構(gòu)成，在β轉(zhuǎn)變組織內(nèi)部存在大量形貌細(xì)小的次生α相，而初生α相形貌以長條狀為主，并伴有少量等軸狀形貌。在固溶溫度升高的過程中（圖1（ｂ）（ｃ）），發(fā)現(xiàn)組織形貌出現(xiàn)較為明顯的變化，其中初生α相體積與含量均不斷減少。當(dāng)固溶溫度升高至1000℃時（圖1（ｄ）），發(fā)現(xiàn)初生α相完全消失，組織中出現(xiàn)粗大的β晶粒，且析出更多的次生α相，此時的組織類型轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)片層β轉(zhuǎn)變組織。
在室溫條件下，合金的組織主要以α相存在，在加熱升溫的過程中，合金組織中α相含量不斷越少，其原因是合金在經(jīng)加熱后，組織中α相會發(fā)生部分溶解，從而減少了α相的含量。當(dāng)合金加熱到單相區(qū)溫度時，組織β相開始大量生成，α相完全溶解。其在轉(zhuǎn)變過程中，α相和β相的晶格參數(shù)基本保持一致，即兩相之間存在晶格匹配。在相變過程中，α相晶格構(gòu)，最終轉(zhuǎn)變?yōu)?beta;相[11]。
在固溶階段，加熱過程會使得合金中的溶質(zhì)元素溶解到β相中。這個過程有助于溶質(zhì)元素的均勻分布，并為后續(xù)析出過程創(chuàng)造條件。冷卻過程會將固溶處理后的合金快速冷卻到室溫，這個過程有助于形成過飽和的固溶體，為次生α相的析出提供了條件[12]。
在時效處理過程中，由于合金處于過飽和狀態(tài)，溶質(zhì)元素會從固溶體中析出并形成次生α相，這個過程涉及到溶質(zhì)元素在β相中的擴(kuò)散和凝聚，最終形成穩(wěn)定的次生α相，其中固溶階段溫度越高，形成的過飽和固溶體中包含溶質(zhì)元素越多，時效過程析出的次生α相越多。
2.2 拉伸性能分析
圖2為TC11鈦合金經(jīng)不同固溶時效溫度處理后的室溫拉伸性能。在時效溫度確定，固溶溫度改變的條件下，合金的強(qiáng)度隨固溶溫度升高而逐漸增加，其抗拉強(qiáng)度Rm由1348MPa升至1509MPa，屈服強(qiáng)度Rp0.2由1154MPa升至1304MPa，塑性則隨固溶溫度的升高而不斷減少，其斷后伸長率Ａ由13％降低2％，斷面收縮率Ｚ由24％降至9％。由圖1可知，固溶溫度升高的過程中，組織中最明顯的變化為初生α相以及次生α相的體積與含量。
由于初生α相的晶體取向為無序分布，這也使得其晶體結(jié)構(gòu)存在較多的晶界和位錯。晶界是晶體中兩個 晶粒之間的邊界，而位錯是晶體中的一種缺陷，這些晶界和位錯可以為滑移提供更多的“路徑”，使得滑移發(fā)生更加容易。晶界和位錯的存在還可以吸收和儲存應(yīng)力能量，從而減小局部應(yīng)力峰值，提高組織的抗變形能力。此外，初生α相的晶體取向的無序分布使其能夠激活多種類型的滑移系統(tǒng)，并通過增加滑移面 密度、滑移方向多樣性、晶界和位錯的存在來協(xié)調(diào)塑性變形，這種協(xié)調(diào)作用能夠提高合金的塑性變形能力、減緩晶體損傷和斷裂[13]。故組織中初生α相對合金塑性起到促進(jìn)作用，即初生α相含量越多，合金 塑性越好，而當(dāng)初生α相含量減少時，合金塑性不斷降低。
組織中次生α相則起到強(qiáng)化的效果，其強(qiáng)化作用從兩個方面體現(xiàn)，首先是晶體取向強(qiáng)化，次生α相的 晶體取向通常是有序排列的，這種有序排列使得晶體結(jié)構(gòu)在宏觀上體現(xiàn)出方向性。這種方向性可以限制 位錯的滑移路徑，提高組織的抗滑移能力。此外，晶體取向的有序性可以增加晶體的內(nèi)聚力，減少晶界的位錯堆積，從而高合金的強(qiáng)度。其次形貌細(xì)小的次生α相具有一定的晶粒細(xì)化效果，次生α相的形成通常伴隨著晶粒的細(xì)化，晶粒細(xì)化能夠增加晶界的數(shù)量，使得組織中存在更多的晶界，從而有效阻礙位錯的移動。 細(xì)小晶粒之間的晶界能夠吸收和分散應(yīng)力防止位錯擴(kuò)散和晶界滑移，從提高合金的強(qiáng)度，即次生 α相含量越多，合金強(qiáng)度越高[14]。
2.3 拉伸斷裂微觀形貌分析
圖3展示了經(jīng)過不同固溶時效溫度處理后的TC11鈦合金拉伸斷口的微觀形貌。發(fā)現(xiàn)合金經(jīng)兩相區(qū)溫度（圖3（ａ）（ｂ）（ｃ））固溶處理后的斷口形貌中分布大量等軸狀的韌窩（位置Ｃ），當(dāng)固溶溫度升至單相區(qū)后（圖3（ｄ）），斷口形貌由韌窩轉(zhuǎn)變?yōu)閹r石狀形貌。韌窩的形成是合金拉伸斷裂過程中出現(xiàn)的一種普遍現(xiàn)象，當(dāng)合金受到拉應(yīng)力作用時，斷裂開始在最薄弱的部位（缺陷、裂紋等）發(fā)生，然后逐漸擴(kuò)展。在整個拉伸斷裂過程中，分子之間發(fā)生斷裂并形成斷口，當(dāng)斷裂繼續(xù)擴(kuò)展時，合金中的纖維結(jié)構(gòu)和晶粒也會受到影響，導(dǎo)致斷口周圍的韌窩形成。韌窩數(shù)量越多且尺寸越大則意味著在斷裂時產(chǎn)生了更多的能量耗散，使得組織在受應(yīng)力作用下吸收能量并延展變形的能力，即合金塑性更高。故可知，合金經(jīng)兩相區(qū)溫度固溶處理后的塑性較單相區(qū)溫度要高，這與圖2中拉伸性能趨勢一致。
除韌窩形貌外，發(fā)現(xiàn)在斷口中還存在一定數(shù)量的微裂紋（位置Ｄ），這是因為經(jīng)時效處理后的組織中存在大量細(xì)小次生α相，其會有效減緩裂紋的擴(kuò)展速度，且裂紋與次生α相相遇后，次生α相的周圍會發(fā) 生一定晶界滑移并在晶界位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，在應(yīng)力作用下最終形成微裂紋。此外，發(fā)現(xiàn)在固溶溫度升高 的整個過程中，斷口中撕裂棱逐漸明顯（位置Ｅ），撕裂棱的存在可以阻礙晶界的滑移和斷裂，從而提高材料的強(qiáng)度，且撕裂棱也可以作為有效的位錯源，阻礙晶界滑移和斷裂的傳播，進(jìn)而增加合金的強(qiáng)度。
3、結(jié)論
（1）在固溶溫度為兩相區(qū)時，合金的微觀組織類型為雙態(tài)組織，其組織主要由初生α相以及β轉(zhuǎn)變組織構(gòu)成，初生α相形貌以長條狀為主，并伴有少量等軸狀形貌。固溶溫度升單相區(qū)后，組織中初生α相完全消失并出現(xiàn)粗大的β晶粒，組織類型轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)片層β轉(zhuǎn)變組織。
（2）在時效溫度確定，固溶溫度改變的條件下，合金的強(qiáng)度隨固溶溫度升高而逐漸增加，塑性則隨固溶溫度的升高而不斷減少。
（3）固溶溫度由兩相區(qū)向單相區(qū)轉(zhuǎn)變的過程中，拉伸斷口形貌由韌窩形貌向巖石狀相貌轉(zhuǎn)變，且整個過程中的撕裂棱形貌逐漸明顯。
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