鈦合金是當代飛機和發(fā)動(dòng)機的主要結構材料之一，在減輕飛機重量、提高飛機推重比、增加飛行距離和減少燃料費用等方面具有十分重要的意義。隨著(zhù)我國航空航天事業(yè)的迅速發(fā)展，對飛行器結構材料的要求集中在輕質(zhì)、高強、高韌上。TC11鈦合金鍛件的組織和力學(xué)性能主要由鍛造變形決定，熱處理的作用不像鋼材那么大，因此，為獲得高質(zhì)量鍛件，鍛造工藝選擇尤為重要，鈦合金材料的鍛造工藝有α+β相區鍛造、β鍛造等。目前，TC11鈦合金鍛件采用α+β相區鍛造，其各項力學(xué)性能滿(mǎn)足航空材料使用要求，鍛后組織為雙態(tài)組織或者等軸組織。但隨著(zhù)復雜高筋薄壁構件在航天飛行器中廣泛的應用，整體制造成為實(shí)現這類(lèi)構件輕量化的重要途徑，也是當前制造領(lǐng)域最具有挑戰的工程難題之一。本次研究是基于以上目的開(kāi)展，結合3D打印技術(shù)生產(chǎn)復雜高筋薄壁構件的一次技術(shù)摸底，確保TC11鈦合金基體材料有優(yōu)異室溫、高溫性能的同時(shí)，保持良好的平面斷裂韌性，這是高損傷容限表征數據之一。

1、試驗材料和方法

試驗用合金采用真空自耗電弧爐三次熔煉得到的φ700mm鑄錠。鑄錠的化學(xué)成分如表1所列，測定的β相變點(diǎn)為1018℃。鑄錠合金成分及雜質(zhì)含量滿(mǎn)足GB/T3620.1-2016中成分要求，且頭尾成分均勻，一致性較好。鑄錠經(jīng)過(guò)總鍛造比大于12的自由鍛造后，加熱溫度從β相區開(kāi)始，逐次降低加熱溫度，成品鍛造火次加熱溫度均在相變點(diǎn)以下，生產(chǎn)φ210mm規格棒材。棒材按照標準要求，超聲波探傷和成品理化性能檢驗合格。切取長(cháng)度150mm棒段進(jìn)行本次鐓餅熱加工工藝試驗，采用的三種加工方式分別為兩相區鍛造+固溶時(shí)效熱處理、兩相區鍛造+β熱處理和準β鍛+固溶時(shí)效處理、生產(chǎn)φ×45+5mm鐓餅。完成后按照執行標準要求，線(xiàn)切割切取縱向樣條，經(jīng)過(guò)機加工后進(jìn)行室溫拉伸性能、高溫拉伸性能、平面斷裂韌性和顯微組織檢測。采用INSTRON68FM-100試驗機測試室溫拉伸性能，采用ETM105D-Z試驗機測試高溫拉伸性能，采用MTS810試驗機測平面斷裂韌性，采用ZEISS200MAT光學(xué)顯微鏡觀(guān)察不同熱處理制度處理后的顯微組織。

2、結果與分析

本試驗的TC11鈦合金鐓餅顯微組織如圖1所示。由圖1(a)可知，兩相區鍛造+固溶時(shí)效處理的顯微組織為典型的雙態(tài)組織，晶粒尺寸基本均勻，球化效果較好，平均晶粒尺寸為18μm。α相由兩部分組成，分別為鍛造變形后再結晶產(chǎn)生的初生α相和固溶時(shí)效退火β相分解產(chǎn)生的次生α相，初生α相為球狀，次生α相為片層狀，片層平均厚度經(jīng)測量為0.4μm左右，α相含量在45%左右。由圖1(b)可知，兩相區鍛造+β熱處理后的顯微組織為片層狀魏氏組織，在顯微組織照片上可明顯看到晶界，平均晶粒尺寸為35μm。這是由于β熱處理是在β轉變溫度以上加熱，在保溫階段會(huì )出現晶粒的長(cháng)大，初生α相逐漸消失，轉變?yōu)棣孪?，在冷卻過(guò)程中，晶界位置析出長(cháng)條α相，晶內出現片層次生α編織。片層平均厚度經(jīng)測量為0.5μm左右，α相含量在75%左右。由圖1(c)可知，準β鍛+固溶時(shí)效處理后的顯微組織為典型網(wǎng)籃組織，無(wú)明顯晶界，均為針狀的α相集束，α相集束尺寸為1.6μm，α相含量在80%左右。鈦合金綜合性能的進(jìn)一步提升要求其最終的組織形態(tài)，相的比例，晶粒大小和分布，晶內缺陷消除程度和各組成相的匹配等均達到最優(yōu)化配合，而所有上述因素都與熱加工歷史有關(guān)，對三種熱加工工藝對應的室溫拉伸性能、平面斷裂韌性和高溫拉伸性能進(jìn)行檢測，力學(xué)性能數據如表2所示。

⑴對比三種加工方式下鐓餅的室溫拉伸性能，兩相區鍛造+固溶時(shí)效處理得到鐓餅的室溫強度和塑性均最高，兩相區鍛造+β熱處理最差，準β鍛+固溶時(shí)效處理居中。三種加工方式強度和塑性均為相同變化趨勢，同步下降或升高。三種加工方式在強度方面性能水平在同一區間，但兩相區鍛造+β熱處理在塑性方面損失較多。這是由于加熱溫度超過(guò)其β相變點(diǎn)時(shí)，合金材料元素在β相區中擴散系數加大，β相長(cháng)大傾向很大，形成了粗大組織，這將導致“β脆性”，所以造成塑性的惡化。

⑵對比三種加工方式平面斷裂韌性，兩相區鍛造+β熱處理得到的鐓餅室溫強度和塑性均最高，準β鍛+固溶時(shí)效處理次之，兩相區鍛造+固溶時(shí)效處理的最低。從顯微組織照片上進(jìn)行分析，兩相區鍛造+β熱處理同時(shí)存在魏氏組織和網(wǎng)籃組織特點(diǎn)，存在粗大晶界同時(shí)，晶內為類(lèi)似網(wǎng)籃的片層組織，相比其他兩種組織類(lèi)型，這使得裂紋擴展路徑更加曲折，裂紋傳播時(shí)需要耗費更多能量，所以使其具有優(yōu)異的斷裂韌性。三種加工方式500℃高溫拉伸性能見(jiàn)表3，在強度方面，兩相區鍛造+固溶時(shí)效處理得到的鐓餅最低，準β鍛+固溶時(shí)效處理的最高，兩相區鍛造+β熱處理居中。在塑性方面，呈現完全相反的趨勢，兩相區鍛造+固溶時(shí)效處理得到鐓餅的最高，準β鍛+固溶時(shí)效處理的最低，兩相區鍛造+β熱處理居中。與室溫拉伸性能數據一致，兩相區鍛造+β熱處理在高溫塑性方面損失仍較多。雖然三種加工方式對各項性能影響各異，但檢測結果均滿(mǎn)足航空發(fā)動(dòng)機使用要求。三種加工方式中，本次試驗準β鍛+固溶時(shí)效處理綜合性能最優(yōu)。結合本次試驗目的——生產(chǎn)復雜高筋薄壁構件的技術(shù)摸底，兩相區鍛造+β熱處理加工方式對β相區加熱時(shí)長(cháng)尤為敏感，只能處理整體尺寸接近的鍛件，對于復雜高筋薄壁構件，單一溫度很難保證各個(gè)厚度位置熱處理效果一致。且同時(shí)對比室溫和高溫性能，兩相區鍛造+β熱處理加工方式在塑性方面均損失較多，后續選擇時(shí)需慎重考慮。準β鍛+固溶時(shí)效處理加工方式雖然也存在β相區加熱，但隨之發(fā)生的變形可細化晶粒并破碎形成的晶界，所以，該加工方式對加熱時(shí)長(cháng)敏感度不高，通過(guò)后續熱處理可對α相集束尺寸進(jìn)行調控，可以應用于生產(chǎn)復雜高筋薄壁構件。

3、結論

⑴采用兩相區鍛造+固溶時(shí)效處理的顯微組織為典型的雙態(tài)組織，兩相區鍛造+β熱處理后的顯微組織為片層狀魏氏組織，準β鍛+固溶時(shí)效處理后的顯微組織為典型網(wǎng)籃組織；

⑵三種加工方式對比單一性能，室溫拉伸性能方面兩相區鍛造+固溶時(shí)效處理最優(yōu)，平面斷裂韌性方面兩相區鍛造+β熱處理最優(yōu)，高溫力學(xué)性能方面準β鍛+固溶時(shí)效處理最優(yōu)；

⑶兩相區鍛造+β熱處理加工方式對β相區加熱時(shí)長(cháng)尤為敏感，且其在塑性方面均損失較多，后續選擇時(shí)需慎重考慮；

⑷三種加工方式的各項力學(xué)性能均滿(mǎn)足航空發(fā)動(dòng)機使用要求，準β鍛+固溶時(shí)效處理綜合性能最優(yōu)，在室溫拉伸性能損失不明顯的情況下，可較為穩定地提升平面斷裂韌性和高溫性能，在復雜高筋薄壁構件生產(chǎn)方面應用前景廣闊。