热处理工艺对TC11钛合金锻坯组织性能及探伤水平的影响

文／宗师，刘保亮，冯璐，宋阿敏·西安三角防务股份有限公司

TC11 钛合金相当于前苏联的BT9 钛合金，名义成分为6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.25Si，属高铝当量马氏体型α+β 两相钛合金。该合金具有优异的热强性能，主要用于制作工作温度在500℃以下的飞机发动机压气机盘、叶片和叶轮等关键零部件，是目前航空工业上应用最广泛的钛合金之一。

由于TC11 钛合金发动机盘类锻件标准要求探伤级别高(噪声：φ0.8mm 平底孔不超过20%)，对锻件组织均匀性提出了较高的要求。对于钛合金材料的探伤，原材料的冶金质量、探伤方法、组织均匀性和方向性是影响探伤结果的主要因素，而组织的不均匀性是影响钛合金超声波探伤杂波水平的最主要因素。本文利用热处理工艺影响组织，而组织又与性能、探伤结果密切相关这一原理，通过选用不同的热处理工艺参数，研究了TC11 钛合金锻坯的高倍组织、室温力学性能、探伤结果的变化规律，进而得到既能满足探伤要求，又能使力学性能达到最佳的热处理工艺参数。

试验材料及方法

试验材料

试验采用西部超导材料科技有限公司生产的φ230mm 规格TC11 钛合金棒材，熔炼方式为真空自耗电弧炉三次熔炼。原材料经过入厂复验，各项指标满足GJB 2218A-2018 标准要求。

用锯床按工艺要求长度对棒材进行下料，随后在高温电炉中相变点β/(α+β)下30 ～40℃范围内加热并保温一定时间后，按锻造工艺要求出炉锻造。

试验方法

TC11 钛合金锻坯锻造完成后，将4 件锻坯按四种不同热处理工艺进行处理。4 种热处理工艺如下：

⑴锻坯A：一次退火950℃，保温2h，空冷，二次退火530℃，保温6h，空冷。

⑵锻坯B：一次退火960℃，保温2h，空冷，二次退火530℃，保温6h，空冷。

⑶锻坯C：一次退火970℃，保温2h，空冷，二次退火530℃，保温6h，空冷。

⑷锻坯D：一次退火980℃，保温2h，空冷，二次退火530℃，保温6h，空冷。

4 件TC11 钛合金锻坯经热处理后，分别进行了水浸探伤、高倍组织检查、室温拉伸性能等测试。水浸探伤在以色列LS-200LP 型全自动超声波C 扫描设备上进行，高倍组织检查在OLYMPUS/GX53 型光学显微镜上进行，高倍腐蚀剂采用配比为V(HF):V(HNO3):V(H2O)=5:12:83 的Kroll 试剂；室温力学性能测试在美国INSTRON 5985 型电子万能材料试验机上进行。

试验结果及分析

热处理工艺对TC11 钛合金锻坯高倍组织的影响

分别对四种热处理工艺所得到的TC11 钛合金锻坯，在其对应的中心、R/2、边缘各点取高倍试样，得到各位置的高倍组织如表1 所示。

从表1 可以看出，TC11 钛合金锻坯在相变点β/(α+β)下进行双重退火处理后，高倍组织由不同含量的初生α 相和转变β 相组成，其中初生α 相呈球形、橄榄形、长条形、椭圆形，是典型的混合组织。随着一次退火温度的升高，高倍组织中初生α 相的含量呈降低趋势，而转变β 相含量呈增加趋势。也就是说合金在相变点以下加热时，随着加热温度的升高，组织结构中α 相逐步向β 相转变，温度越高，转变速度越快，即越接近相变点，相对温度越敏感。

热处理工艺对TC11 钛合金锻坯探伤结果的影响

分别对四种热处理工艺所得到的TC11 钛合金锻坯进行水浸探伤，得到的探伤结果如表2 所示。

从表1 可以看出，TC11 钛合金锻坯热处理后的探伤结果，随着一次退火温度的升高，噪声水平逐渐升高，底波损失无明显变化。且当一次退火温度为980℃时，噪声水平不满足标准要求。这是因为随着一次退火温度的升高，造成了锻坯内部组织均匀性和方向性的恶化，进而导致了噪声水平逐渐升高甚至超标的现象。

热处理工艺对TC11 钛合金锻坯室温力学性能的影响

TC11 钛合金锻件经不同制度热处理后室温力学性能测试结果如表2 所示。

从表3 可以看出，TC11 钛合金锻坯在相变点(β/α+β)下进行双重退火处理时，在二次退火温度不变的前提下，随着一次退火温度的升高，TC11 合金锻坯的室温抗拉强度、屈服强度呈上升趋势，但室温塑性随一次退火温度升高呈下降趋势。这是因为对于α + β 型双相钛合金来讲，合金中的转变β 相主要对强度起作用，而初生α 相主要对塑性起作用，也就是说合金在双重退火处理后初生α 相越多(转变β 相越少)合金塑性越好、强度越低；反之初生α相越少(转变β相越多)合金塑性越差、强度越高。钛合金在(β/α+β)转变温度以下一次退火时，随着加热温度的升高，合金中的α 相逐渐向β 相转变，即α 相数量减少、β 相数量增多，所以在随后的二次退火后，就表现出一次退火温度越高，强度越高，塑性越差；一次退火温度越低，强度越低，塑性越好。

表1 TC11 钛合金锻坯不同热处理工艺下的高倍组织

表2 TC11 钛合金锻坯不同热处理工艺下的探伤结果

表3 TC11 钛合金锻坯不同热处理工艺下的室温力学性能

结束语

⑴相同锻造工艺生产的四件TC11 钛合金锻坯，分别采用四种不同热处理工艺进行双重退火处理，随着一次退火温度的升高，锻坯高倍组织中初生α 相含量呈下降趋势、转变β 相含量呈上升趋势。

⑵TC11 钛合金锻坯不同热处理工艺双重退火后，随着一次退火温度的升高，其水浸探伤后的噪声水平逐渐升高，底波损失无明显变化。

⑶TC11 钛合金锻坯不同热处理工艺双重退火后，随着一次退火温度的升高，其室温抗拉强度、屈服强度呈上升趋势，室温塑性呈下降趋势。

⑷热处理后的TC11 钛合金锻坯B 高倍组织、探伤水平、力学性能均满足相关技术条件要求，且裕度较大、综合性能最优。