近年來(lái)，隨著(zhù)航空工業(yè)的不斷發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機對材料規格及性能提出了更高的要求[1]。TC17鈦合金作為一種富β型兩相鈦合金，具有高強、高韌和高淬透性，是航空發(fā)動(dòng)機壓氣機的重要候選材料之一[2-3]。在中溫下，TC17鈦合金的強度超過(guò)Ti-6Al-4V和Ti-6242合金，并具有較高的蠕變抗力，主要用作氣輪發(fā)動(dòng)機零件，如風(fēng)扇盤(pán)和壓氣機盤(pán)件[4-8]。隨著(zhù)鍛件整體化設計的發(fā)展，對TC17鈦合金棒材規格的要求不斷增大，這就對材料的組織均勻性和性能一致性提出了更高的要求。鈦合金加工工藝與其組織、性能關(guān)系錯綜復雜，并且大規格棒材由于加工過(guò)程中的尺寸效應，對其性能指標要求更加苛刻，因此深入研究不同熱處理工藝對大規格棒材性能的影響極其重要。為此，開(kāi)展了大規格TC17鈦合金棒材熱處理工藝研究，分析材料不同方向的組織均勻性及性能一致性情況，以期為該材料的工程應用提供工藝指導。

1、實(shí)驗

實(shí)驗材料為兩相區熱軋加工的φ350mm大規格TC17鈦合金棒材，名義成分為T(mén)i-5Al-2Sn-2Zr-4Cr-4Mo，合金Tβ相變點(diǎn)為（890±10）℃。TC17鈦合金棒材的原始組織為典型的等軸組織，主要由初生α相和轉變β相組成，等軸α相均勻分布在基體中，并且基體中有少量的短棒狀α相，如圖1所示。沿TC17鈦合金棒材徑向（R）和軸向（L）切取φ5mm×M10mm的拉伸試樣。采用箱式電阻爐，按照表1所示熱處理工藝對試樣進(jìn)行熱處理。其中，固溶處理溫度分別選用相變點(diǎn)以下800、820、840、860℃和相變點(diǎn)以上910、930、950℃，冷卻方式選用空冷和水冷，保溫時(shí)間選取2h和4h；時(shí)效制度均為630℃/8h/AC。采用Instron1195電子萬(wàn)能試驗機進(jìn)行拉伸性能測試。采用OlympusMG3光學(xué)顯微鏡和JSM6460掃描電子顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀(guān)察與分析。

2、結果與分析

2.1顯微組織分析

2.1.1固溶溫度的影響

圖2為T(mén)C17鈦合金棒材經(jīng)兩相區固溶空冷＋時(shí)效處理后的顯微組織。從圖2可以看出，兩相區固溶＋時(shí)效處理后顯微組織表現為典型的雙態(tài)組織，在轉變β基體上分布著(zhù)一定數量的α相，這些α相大小形狀各異。此外，轉變β基體中分布有次生α相。隨著(zhù)固溶溫度的升高，TC17鈦合金棒材組織中初生α相尺寸減小，含量降低，并且固溶溫度越高，這種特征越明顯，固溶溫度為860℃時(shí)，組織中的初生α相含量明顯減少（圖2d）。

圖3為T(mén)C17鈦合金棒材經(jīng)β相區910℃固溶水冷及910℃固溶水冷＋時(shí)效處理后的顯微組織。從圖3可以看出，經(jīng)β相區固溶處理后，TC17鈦合金棒材均為典型的魏氏組織，且時(shí)效前后組織均呈現為粗大的β晶粒，不同的是時(shí)效處理后，固溶過(guò)程析出的馬氏體相和亞穩β相（圖3a）發(fā)生分解，生成細小彌散的顆粒分布于基體內部（圖3b）。

2.1.2冷卻方式的影響

在相變點(diǎn)以下熱處理，冷卻方式對α相的形態(tài)會(huì )產(chǎn)生重要影響。圖4為T(mén)C17鈦合金棒材經(jīng)不同溫度固溶水冷＋時(shí)效處理后的顯微組織。從圖4可以看出，固溶水冷后的組織形貌與固溶空冷后相差不大，由初生α相、次生α相以及轉變β相組成，均為典型的雙態(tài)組織，并且隨著(zhù)固溶溫度升高，初生α相含量減少，次生α相含量增多。與空冷組織（圖2）相比，水冷后的次生α相細而短，晶間β相明顯，主要是由于快速水冷抑制了次生α相的析出長(cháng)大及粗化。

2.2力學(xué)性能分析

2.2.1兩相區熱處理

表2為T(mén)C17鈦合金棒材徑向拉伸試樣經(jīng)兩相區（800、820、840、860℃）固溶＋時(shí)效處理后的力學(xué)性能。從表2可以看出，在固溶空冷和水冷條件下，隨著(zhù)固溶溫度升高，TC17鈦合金棒材強度升高，塑性降低。結合顯微組織分析發(fā)現，固溶溫度為800℃時(shí)，TC17鈦合金棒材顯微組織中的初生α相約占60%，固溶溫度升高到860℃時(shí)，初生α相含量不超過(guò)20%，次生α相明顯增多。初生α相的減少和次生α相的增多，導致材料在變形過(guò)程中晶界難以滑移，次生α相難以協(xié)調變形，因而材料強度增高及塑性降低。通過(guò)對比還發(fā)現，水冷條件下TC17鈦合金棒材的塑性較高，具有較好的強塑性匹配，并且800℃/2h/WC＋時(shí)效處理后，棒材顯示出最佳的強塑性匹配。TC17鈦合金屬于一種富β的兩相鈦合金，固溶過(guò)程可保留亞穩β相，固溶保溫時(shí)間過(guò)長(cháng)會(huì )導致β晶粒尺寸長(cháng)大而影響強度和塑性，保溫時(shí)間太短會(huì )導致α相向β相轉變不充分，組織球化和均勻化不好，影響塑性。結合圖2和圖4發(fā)現，TC17鈦合金棒材經(jīng)固溶空冷＋時(shí)效處理和固溶水冷＋時(shí)效處理后均顯示雙態(tài)組織，但相同條件下水冷狀態(tài)的初生α相較空冷狀態(tài)的初生α相晶粒尺寸稍大，并且空冷狀態(tài)下次生α相的長(cháng)度和寬度均比水冷條件下的大，故在力學(xué)性能上顯示出很大的差異。主要原因是固溶水冷后發(fā)生了馬氏體相變，快速冷卻過(guò)程中生成的亞穩相在時(shí)效過(guò)程中會(huì )向平衡組織轉變，較大的內應力促使轉變更加充分，水冷后時(shí)效析出的次生α相更加短小，晶界由轉變β相組成，短小的次生α相比空冷狀態(tài)較長(cháng)的次生α相更易于協(xié)調變形，從而導致合金塑性提高[9-10]。而固溶溫度升高，合金的初生α相明顯減少，變形過(guò)程中晶界滑移系較少，導致合金強度升高。因此，TC17鈦合金棒材經(jīng)800℃/2h/WQ＋630℃/8h/AC熱處理后顯示出較好的強塑性匹配。

2.2.2β相區熱處理

圖5為T(mén)C17鈦合金棒材經(jīng)β相區910、930、950℃熱處理后的力學(xué)性能，對應試樣編號為表1中的9#~16#，固溶時(shí)間為2h，時(shí)效制度為630℃保溫8h后空冷。從圖5可以看出，僅固溶處理的TC17鈦合金棒材強度較低，空冷條件下抗拉強度僅為832MPa，水冷條件下強度較空冷條件下略高。主要是由于在相變點(diǎn)以上固溶處理，顯微組織為典型的魏氏組織，這種組織主要由粗大的β晶粒組成，變形過(guò)程由于晶界強度較弱，導致合金強度較低。

TC17鈦合金棒材經(jīng)時(shí)效處理后強度明顯增加，但其拉伸試驗均未測得延伸率，即相變點(diǎn)以上固溶處理后冷卻方式不論空冷還是水冷，材料均表現為脆性斷裂。從圖5還可以看出，在相變點(diǎn)以上固溶＋時(shí)效處理，空冷條件下當固溶溫度由910℃升高至930、950℃時(shí)，TC17鈦合金棒材的抗拉強度明顯降低，而在水冷條件下，強度隨著(zhù)固溶溫度升高而增加，并且水冷后的抗拉強度高于空冷后，主要是由于水冷條件下析出的針狀馬氏體和亞穩β相在時(shí)效處理后較空冷析出相的強化作用明顯。分析以上原因，時(shí)效處理后TC17鈦合金棒材強度升高主要是由于固溶產(chǎn)生的馬氏體及亞穩β相在時(shí)效處理后發(fā)生分解，引起時(shí)效強化。

2.3取樣方向對合金力學(xué)性能的影響

表3為T(mén)C17鈦合金棒材軸向拉伸試樣經(jīng)不同溫度固溶保溫2h水冷＋630℃保溫8h空冷時(shí)效處理后的力學(xué)性能。從表3可以看出，隨著(zhù)固溶溫度的升高，TC17鈦合金棒材軸向拉伸試樣的強度升高，塑性降低，與徑向拉伸試樣表現出相同的變化趨勢。此外，軸向拉伸試樣的強度和塑性均大于徑向拉伸試樣，說(shuō)明TC17鈦合金棒材存在各向異性。800℃保溫2h固溶＋時(shí)效處理后，軸向屈服強度較徑向增加了30MPa，增幅約為2.7%，但延伸率增加了33%。從數據對比中還可以發(fā)現，TC17鈦合金棒材固溶水冷后的屈強比較高，整體保持在0.95以上，說(shuō)明將其用作結構件具有較高的可靠性。

3、結論

(1)隨著(zhù)固溶溫度升高，TC17鈦合金中等軸α相含量減少，次生α相含量增多，較快的冷卻速率可抑制晶粒的長(cháng)大和粗化。

(2)TC17鈦合金大規格棒材固溶空冷后的強度高于水冷后，但合金塑性較低。800℃/2h/WQ＋630℃/8h/AC處理可獲得最佳的強塑性的匹配。

(3)TC17鈦合金棒材具有較高的屈強比，將其作為結構件具有較高的可靠性。

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