TC11鈦合金屬于馬氏體型α+β雙相熱強鈦合金，可以在500℃下長期工作，是一種重要的航空和宇航材料，目前已廣泛用于航空關鍵部件以及飛機結構件 。航空關鍵部件的發展對鈦合金的性能提出了較高的要求，而TC11鈦合金的性能與它的組織結構密切相關。研究認為雙態組織的綜合性能較好，不僅有較高的斷裂韌性而且還能承受較大的變形抗力。目前得到雙態組織的方法為經過預處理后，在近β區終鍛(變形量30％ ～50％) 。通過適當的熱處理方法可以改變鈦合金的組織結構，進而改進其力學性能，但大都局限于初始為片層組織的鈦合金的熱處理研究，僅通過熱處理不能得到雙態組織。在此基礎上，本文研究了不同熱處理條 件下初始為等軸組織的TC1 1鈦合金顯微組織的演化規律，得到了一種由等軸組織熱處理獲得雙態組織的方法，且通過熱處理得到的雙態組織仍然擁有良好的綜合性能。

1、試驗材料及方法

1.1 試驗材料及規格

試驗用TC11鈦合金的化學成分(質量分數，％)為3.3Mo、6.5Al、1.5Zr、0.25Si，其余為Ti。合金經970℃鍛后退火，得到的熱處理初始組織如圖1所示，由白色α相和黑色基體β相組成的等軸組織。熱處理試樣形狀為圓柱體，尺寸為φ10mm×120mm。

1.2 熱處理工藝的制定

對TC11鈦合金在不同熱處理工藝下的試樣進行編號(表1)。使用SX-8-13型電阻爐進行熱處理，其中油冷時冷卻介質為40號液壓油。

1.3 試驗方法

將經過不同熱處理工藝的試樣經線切割制成金相樣品，腐蝕劑選用5％HF水溶液，用MEF-4型光學顯微鏡觀察顯微組織。

熱處理后的試樣加工成φ10 mm×120mm的拉伸試樣。在Gleeble2000熱模擬試驗機上進行拉伸性能試驗，試驗條件為：試驗溫度1000℃ ，變形速度0.5mm／s。同時采用DXT-3洛氏硬度計進行硬度測試。

2 、試驗結果及分析

2.1 試驗結果

圖2a～g為空冷條件下，不同熱處理溫度對應的TC11鈦合金的微觀組織。從圖2a～g中可以看出，開始隨著熱處理溫度的升高，等軸α相(白色)的含量逐漸減少(圖2b)，熱處理溫度為980℃的時候，β相(黑色)冷卻過程中開始轉變組織，由初始的等軸態轉化 為等軸α+β_轉變的雙態組織(圖2c)，隨著溫度的繼續增加，等軸α含量逐步減少，同時β_轉發晶粒尺寸逐漸增大(圖2d～e)，熱處理溫度達到1050℃時，等軸相完全消失，形成完全由β轉蠻組織組成的層狀組織，繼續升高溫度，層狀組織的片層厚度增加，β晶粒尺寸繼續增加。可以看出不同熱處理溫度通過影響熱處理過程中 向β的相轉變行為進而影響得到不同的熱處理組織形態。

圖2e，h～j為TC11鈦合金在熱處理溫度為1020℃時不同冷卻速度對應的顯微組織。冷卻速度較快時(圖2h)，β相轉變成含有細針狀 相的馬氏體組織；隨冷卻速度的降低，熱處理組織為雙態組織和部分淬火馬氏體(圖2i)和雙態組織(圖2e)；當冷卻速度較慢 時，熱處理后得到具有粗大片層的魏氏組織(圖2j)。可以看出，冷卻速度的不同控制了冷卻過程中β向轉變的時間和方式的不同，進而控制形成不同的β轉變組織。

2.2 分析與討論

對比初始組織與圖2a～e可知，隨著溫度的升高，除了僅等軸晶粒更加粗大以外，白色 相的含量逐漸減少，黑色β相的含量逐漸增多(見圖3)，可以認為TC11在900℃已經發生了 相向β相的轉化過程，由于轉變速度很慢，只有少量 相轉換為β相。從980～1020℃組織發生了很大的變化，由完全的等軸組織轉變成了由等軸組織和β轉變組織構成的雙態組織。究其原因可能是在這個溫度范圍介于相與相的轉化的過渡區域(近β區)， α+β相向β相的轉換量與時間呈正比，由于溫度不夠高或者保溫時間不夠長，殘留部分等軸 。在冷卻過程中β相產生過飽和，在晶界和晶內析出片層狀的 與殘留的等軸 構成了雙態組織，且隨溫度的升高，雙態 組織中的等軸 相的含量逐漸減少。在熱處理溫度達到1050℃時，由于超過了材料的相變點， 相完全轉化為β相，空冷后得到層狀組織。繼續升高溫度，組織形態不再發生變化，只是層狀組織的片層厚度增加，β晶粒尺寸繼續增加冷卻速度對顯微組織有顯著影響。水冷卻速度比較快，β相還沒有析出，得到無擴散的切變方式形成細針狀的淬火馬氏體僅 以及部分殘留的等軸α；油冷時。得到雙態組織和部分淬火馬氏體 ，空冷得到雙態組織；爐冷時，由于有了充足的時間進行轉化，等軸α相完全轉化為β相，在冷卻過程中有充分的時間進行析出和長大，最后得到晶粒粗大的片層組織。可以看出，隨著冷卻速度的逐漸降低，晶界和晶內α的析出增加，晶界僅從水冷條件下的斷斷續續到連續完整，繼而增大增厚。同時等軸 的含量逐漸減少(即等軸α轉化增多)，直至等軸α完全消失(爐冷)，這也證明了α+β相向β相的轉換化與轉化時問呈正比。

組織形態的變化同時對應著合金力學性能的變化。圖4和圖5分別為不同熱處理溫度和冷卻速度得到的TC11合金熱處理組織對應的1000℃，0.5 mm/s的條件下的拉伸力學性能的變化。從圖中可以看出，熱處理溫度980-1020℃時空冷或油冷得到的雙態組 織其1000℃的抗拉強度和硬度介于等軸組織和層狀組織之間(圖4a、4e和圖5a、5c)，伸長率明顯高于其他兩種熱處理組織(圖4b和5b)，這是由于該組織兼顧等軸組織和網籃組織的特點，因此具有較好的綜合力學性能。同時由圖4和圖5還可以看出，該雙態組織的力學性能隨不同熱處理溫度下雙態組織中等軸α相含量的變化而有所變化，其中當熱處理溫度在980～ 1000℃之間時，所得雙態組織的α相含量約為50％ 。對應的雙態組織的性能最佳。

3、結論

(1)熱處理條件對初始組織為等軸組織的TC11鈦合金的組織形態和力學性能有很大的影響，調節熱處溫度和冷卻速度，可以控制得到不同的組織狀態(等軸、雙態、網籃、馬氏體等)及力學性能

(2)在980～1020℃ 區間內熱處理，通過空冷或者油冷可由等軸組織獲得綜合性能較好的雙態組織。

(3)加熱溫度與冷卻速度通過控制相變與冷卻過程中的析出來控制TC11鈦合金的組織形態。

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