航空发动机用TC11钛合金的热处理工艺和组织性能分析

1、序言

TC11钛合金是新型航空装备上开始应用的一种α-β型钛合金，该合金是一种综合性能良好的热强钛合金，在500℃以下具有优异的热强性能（高温强度、蠕变抗力等），并具有较高室温强度及良好的热加工工艺性能，主要应用于航空发动机压气机盘、叶片、鼓筒及飞机结构件等零件。随着航空领域技术的不断发展，航空零件的制造对钛合金的性能提出了较高的要求，其性能与材料内部组织结构密切相关，通过采用合适的热处理工艺进行内部显微组织的调控，可获得具有优异组织性能的钛合金零件 [1-4] 。

本文研究了TC11钛合金在双重退火和固溶时效两种热处理工艺下的组织和性能特点，确定了固溶时效工艺作为提高抗拉强度的最终强化热处理工艺，并进行不同固溶、时效工艺参数的热处理试验，分析了TC11钛合金固溶时效工艺参数-显微组织-力学性能之间的相互影响机制，并对固溶和时效工艺参数进行优化分析，得到了可获得优良组织性能的强化热处理工艺组合，达到了图样对零件力学性能的要求，且为后续的TC11钛合金理论研究积累了丰富的数据，具有重要的理论和工程实际意义。

2、试验材料及方法

2.1 试验材料及规格

本研究试验用TC11钛合金的化学成分经入厂复验合格，其含量符合GJB-2218A-2008标准中的成分要求 。 热处理工艺试棒尺寸为φ16mm×400mm，材料初始状态为双重退火，显微组织如图1所示，组织形态为典型双态组织，由一定含量白色等轴球状的初生α相和分布着细小针状次生α相的β转变组织构成。

2.2 试验方法

根据TC11钛合金相关技术标准和文献研究结论，制定试验研究热处理工艺制度，采用微机控制电子万能试验机CMT5105进行拉伸试验检测力学性能，显微组织检测为在试棒上切取组织观察试样，经镶嵌、磨抛和腐蚀后制作TC11金相试样，采用蔡司Axio Imager A1m金相显微镜进行显微组织观察并拍摄组织照片。

3、讨论和分析

3.1 不同热处理工艺对TC11组织性能的影响根据TC11钛合金相关热处理技术标准，制定了不同热处理工艺试验制度，见表1，分别为试验号A、B和C，试验号A为固溶+时效热处理制度，试验号B和C为双重退火热处理制度，按表1中热处理制度进行工艺试验。

对热处理后的试棒进行拉伸性能检测，获得的抗拉强度值见表1，可知均满足不了图样规定的抗拉强度1150MPa±100MPa要求，试验号A固溶时效的强度值偏高，超过上限值，而试验号B和C双重退火的强度值偏低，达不到下限值。

试验号A、B和C的显微组织照片如图2所示。

图2a为固溶、时效状态组织，由图可知，在α+β两相区上部温度加热后，淬火快速冷却，保留下来大量的亚稳定β相，是一种过饱和固溶体（众稳相），由于冷却速度快，过冷度大，再结晶晶粒来不及长大，同时引起了晶格畸变，促使在时效过程中，大量细小、无方向性的针状α相从亚稳定β转变相中析出，并交叉排列在β转变基体上，并包含少量初生α相。图2b和图2c为双重退火状态组织，由白色等轴球状的初生α相和分布着少量细小针状次生α相的β转变组织组成。对比图2中的组织，可知固溶时效状态中的等轴初生α相数量明显少于双重退火状态且尺寸较大，而针状次生α相的含量明显多于双重退火状态，由文献[2]可知，随着针状次生α相的增加，交错排列的α相界面阻碍了滑移的进行，使得合金变形困难，其强度逐渐增加，而随着初生等轴α相的增加，其强度降低，塑性和韧性增加，可知固溶时效强度明显高于双重退火。

3.2 不同固溶、时效工艺制度对TC11组织性能影响

根据以上分析可知，采用双重退火较难达到图样技术要求，结合上述研究结论，制定TC11钛合金固溶、时效热处理工艺制度，见表2。通过对固溶、时效热处理工艺参数进行试验研究，分别研究固溶温度、固溶时间、时效温度和时效时间对其显微组织和力学性能的影响规律。

将表2中9组热处理试棒加工成拉力试样检测力学性能，获得的力学性能值见表3。由表3可知，试验号1、4和8对应的强度值可满足1150MPa±100MPa的要求，且具有较好的塑性。

根据文献[1-2]可知，TC11钛合金棒固溶时间和时效时间对力学性能影响不大，图3为TC11钛合金不同固溶温度和时效温度下的抗拉强度变化曲线，由图可知，固溶温度为930℃和950℃时，抗拉强度值随时效温度的升高而降低，固溶温度为980℃时，抗拉强度值随着时效温度的升高先升高后降低；当时效温度为530℃时，抗拉强度值随着固溶温度的增高先升高后降低，当时效温度为600℃和650℃时，抗拉强度值随着固溶温度的升高而增高。

分别将9组热处理试棒制备金相组织观察试样，图4为采用显微镜拍摄的500倍下TC11显微组织照片，按图片顺序分别对应表2中的试验号。由图4可知，试验号1、4和8的显微组织为典型双态组织，由白色等轴初生α相和分布着细小针状次生α相的β转变组织组成，与图2a对比可知，图4a、4d和4h中的初生α相含量较多，细小针状次生α相较少，所以抗拉强度值有所降低。由图可知，当时效温度为600℃和650℃时，随着固溶温度的升高，初生α相含量不断减少，β转变组织增多，使得强度不断提高；当固溶温度为930℃和950℃时，随着时效温度的升高，β转变组织上次生α相不断长大，使得强度有所降低。

4、 结束语

1）TC11钛合金双重退火和固溶时效热处理工艺获得的组织形态有所差别，固溶时效状态中的等轴初生α相少于双重退火状态且尺寸较大，而针状次生α相的含量明显多于双重退火状态，导致固溶时效强度高于双重退火的强度。

2）当固溶温度为930℃和950℃时，抗拉强度值随着时效温度的升高而降低，固溶温度为980℃时，抗拉强度值随着时效温度的升高先增高后降低；当时效温度为530℃时，抗拉强度值随着固溶温度的增高先升高后降低，当时效温度为600℃和650℃时，抗拉强度值随着固溶温度的升高而增高。

3）得出3组固溶时效热处理制度的强度值符合图样的要求范围，组织由白色等轴初生α相和分布着细小针状次生α相的β转变组织组成，热处理制度分别为30℃×0.5h/600℃×6h、 930℃×1h/650℃×3h和950℃×1.5h/650℃×6h，对应的强度平均值分别为1210MPa、1155MPa和1170MPa。

参考文献：

[1] 唐光听，朱张校. TC11合金在不同热处理条件下的显微组织分析[J].稀有金属，2002，26（2）：146-148.

[2] 王金惠. TC11钛合金的高温变形行为及热处理工艺对合金组织性能的影响[D].长沙：中南大学硕士学位论文，2010.

[3] 姚梦，刘勇，朱景川.TC11钛合金双重热处理工艺设计[J].热处理技术与装备，2016，37（5）：65-70.

[4] 张雪敏，张伟，李海峰，等. TC11钛合金大规格环材的组织与性能研究[J].锻造与冲压，2019（19）：58-61.

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