面向航空航天導(dǎo)彈殼體應(yīng)用的TC11鈦合金熱加工工藝優(yōu)化與性能調(diào)控——對比雙重退火態(tài)、熱旋壓態(tài)、熱旋壓+時(shí)效態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)，揭示熱旋壓加工硬化主導(dǎo)的硬度提升機(jī)制及時(shí)效處理對析出相豐富化與性能優(yōu)化的有限貢獻(xiàn)

TC11鈦合金是一種綜合性能優(yōu)異的α＋β型雙相鈦合金，具有耐熱性和低溫性能好、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，廣泛應(yīng)用于航空航天、能源和國防等領(lǐng)域[3-5]。隨著我國航天事業(yè)的不斷發(fā)展，各類導(dǎo)彈對發(fā)動(dòng)機(jī)殼體性能及整體結(jié)構(gòu)輕量化[6-7]提出了更高的要求，使得TC11鈦合金成為未來導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體備選材料之一[8]。

TC11鈦合金常溫下存在強(qiáng)度高、塑性低、加工硬化強(qiáng)烈、易開裂等問題，不利于室溫條件下成形[9]。大量國內(nèi)外學(xué)者對TC11鈦合金熱變形和熱加工工藝進(jìn)行了研究，關(guān)國輝[10]研究了TC11鈦合金的熱變形特性，發(fā)現(xiàn)該合金的塑性隨變形溫度的升高而增大，變形抗力隨溫度的升高而降低。孫海全等[11]研究了TC11鈦合金熱旋壓變形性能，結(jié)果表明，該合金在同一變形溫度下，α相隨應(yīng)變速率的增加呈先增多再減少的趨勢。王曉亮等[12]研究了不同退火組織對TC11鈦合金動(dòng)態(tài)沖擊性能的影響，結(jié)果表明，該合金經(jīng)合理的優(yōu)化雙重退火處理可以得到更加優(yōu)異的室溫準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。王金惠等[13]研究了固溶、時(shí)效工藝對TC11鈦合金組織及性能的影響，發(fā)現(xiàn)TC11合金時(shí)效初期初生αｐ相略有長大，時(shí)效后期二次相αｓ大量析出。

TC11鈦合金用于發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，往往需經(jīng)熱旋壓成形[14]，再經(jīng)時(shí)效處理[15]獲得高的強(qiáng)韌性。因此，研究TC11鈦合金熱旋壓及時(shí)效處理后的組織及性能顯得尤為重要。本文以TC11鈦合金為研究對象，對熱旋壓及時(shí)效后的微觀組織、力學(xué)性能、拉伸斷口等進(jìn)行了研究，為TC11鈦合金的理論研究及工程應(yīng)用提供一定的依據(jù)。

1、試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為雙重退火態(tài)TC11鈦合金熱軋管材，其主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％）為6.50Al、3.38Mo、1.72Zr、0.29Si、0.12O，其余為Ti，微觀組織見圖1，可見TC11鈦合金原始組織為α＋β組織，即白色的α相和黑色的β相，組織分布均勻。采用三旋輪強(qiáng)力旋壓機(jī)在700℃下經(jīng)4道次完成熱旋壓成形，熱旋壓后進(jìn)行560℃保溫3ｈ的時(shí)效處理。

采用ＺｅｉｓｓＳｕｐｅｒａ40場發(fā)射掃描電鏡（SEM）及配套能譜儀（EDS）、ＪＥＭ-2010Ｆ高分辨分析型場發(fā)射透射電鏡（TEM）分析TC11鈦合金的組織形貌、晶體結(jié)構(gòu)、斷口形貌及成分；采用ＨＸＳ-1000ＡＫＹ顯微維氏硬度計(jì)測量TC11鈦合金的微觀組織硬度，在加載載荷200ｇ、加載時(shí)間15ｓ的條件下分別測定TC11鈦合金中α相和β相的硬度，在加載載荷500ｇ、加載時(shí)間15ｓ的條件下測定TC11鈦合金的綜合硬度；采用CMT5105型萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測試。

2、試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　組織

圖2為不同狀態(tài)TC11鈦合金的二次電子圖像，其中等軸狀α相呈灰色，片狀β相呈亮白色。由圖2（ａ，ｂ）可以看出，與雙重退火態(tài)組織相比，熱旋壓后α相、β相均明顯被拉長，初生β相區(qū)析出了大量次生α相，次生α相與初生α相連成一片，組成TC11鈦合金的基體，剩余β相被次生α相隔斷，呈不連續(xù)狀分布，且次生α相基體上發(fā)現(xiàn)了球狀析出相，而初生α相上基本沒有析出相。由圖2（ｂ，ｃ）可以看出，熱旋壓和熱旋壓＋時(shí)效處理后的TC11鈦合金管材的組織形貌均呈現(xiàn)出β相被α相隔斷的不連續(xù)狀分布，這是由于在熱旋壓和時(shí)效處理過程中發(fā)生β相向α相的不完全轉(zhuǎn)變，β相中會(huì)有大量次生α相析出。此外，β相中還有其它細(xì)小的析出相析出，顆粒尺寸小于1μｍ。

2.2　微觀結(jié)構(gòu)

圖3為熱旋壓態(tài)TC11鈦合金的TEM圖。由圖3（ａ）可見，沿α／β相界或在β相中有析出相析出。鈦合金中的硅化物主要沿相界和晶界析出，這些沿晶界和相界分布的硅化物主要是在β相的分解轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生的，若在晶界連續(xù)析出金屬間化合物，對材料的塑韌性會(huì)產(chǎn)生不利影響。除硅化物外，β相的分解轉(zhuǎn)變過程中還會(huì)產(chǎn)生鋯化物、鋁化物等。根據(jù)選區(qū)電子衍射斑點(diǎn)分析可知，圖3（ｂ）為α相的衍射斑點(diǎn)，其晶帶軸為[113]，晶面為（211）。圖3（ｃ）為Al3Ti相的衍射斑點(diǎn)，其晶帶軸為[0111]，晶面為（202）。圖3（ｄ）為Si3Ti2Zr3相的衍射斑點(diǎn)，晶面為（042）。因此，熱旋壓態(tài)TC11鈦合金組織除有α相、β相外，還有Al3Ti、Si3Ti2Zr3等析出相。

圖4為熱旋壓＋時(shí)效處理TC11鈦合金的TEM圖，由圖4（ａ）可以看出，沿α／β相界或在β相中有析出相析出。根據(jù)選區(qū)電子衍射斑點(diǎn)分析可知，圖4（ｂ）為α相的衍射斑點(diǎn)，其晶帶軸為[113]，晶面為（011）。圖4（ｃ）為β相的衍射斑點(diǎn)，其晶帶軸為[1216]，晶面為（212）。圖4（ｄ）為Al3Ti相的衍射斑點(diǎn)，其晶帶軸為[1213]，晶面為（330）。圖4（ｅ）為TiZr相的衍射斑點(diǎn)，其晶帶軸為[5143]，晶面為（213）。圖4（ｆ）為Ti2Zr相的衍射斑點(diǎn)，其晶帶軸為[2423]，晶面為（200）。圖4（ｇ）為Si3Ti2Zr3相的衍射斑點(diǎn)，晶面為（042）。因此，TC11鈦合金熱旋壓＋時(shí)效處理后的組織除有α相、β相外，還有Al3Ti、TiZr、Ti2Zr、Si3Ti2Zr3等析出相。

2.3　微觀硬度

圖5為不同狀態(tài)TC11鈦合金的顯微硬度。可以看出，α相的硬度略大于β相，這是由于α相屬于硬化相，而β相屬于軟性相。另外，熱旋壓＋時(shí)效態(tài)的α相、β相硬度和綜合硬度均略大于熱旋壓態(tài)，這是由于時(shí)效過程中發(fā)生了β相向α相的進(jìn)一步轉(zhuǎn)變，并伴隨有化合物析出。由原始雙重退火態(tài)、熱旋壓和熱旋壓＋時(shí)效處理3種工藝下的綜合硬度比較可知，熱旋壓和熱旋壓＋時(shí)效處理的綜合硬度明顯大于原始雙重退火態(tài)，分別提升20％和22％。因此，熱旋壓工藝對TC11鈦合金的硬度影響最大，再經(jīng)時(shí)效處理后的硬度提升較小，這是由于熱旋壓過程使晶粒拉長和纖維化，產(chǎn)生加工硬化。

2.4　拉伸斷口

圖6為熱旋壓＋時(shí)效處理TC11鈦合金的拉伸斷口二次電子圖像。TC11鈦合金在時(shí)效后的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到（1215±5）ＭＰａ，由圖6可見，拉伸斷口宏觀形貌呈脆性斷裂，微觀形貌為混合型斷口，即解理斷口上局部分布有分散的撕裂棱，斷口表面存在大小不相同的球狀顆粒，其會(huì)影響TC11鈦合金管材的性能。進(jìn)一步放大觀察斷口形貌可知，初生α相區(qū)為解理斷裂，這與其硬而脆的特性相一致，而初生β相區(qū)中有α＋β相，其中β相對應(yīng)了斷口上的撕裂棱，表明β相有較好的延展性。在β相區(qū)域隱約可觀察到細(xì)小的析出相。

采用能譜儀（EDS）對斷口上不同的典型微區(qū)進(jìn)行成分分析，結(jié)果如表1和表2所示。由表1可見，大的球狀顆粒的主要元素為Ti和Ｏ，分析各種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以判斷該球狀顆粒為TiＯ₂顆粒，可能伴有少量其他合金碳化物或氧化物；小的球狀顆粒除主要含有Ti、Ｏ、Ｃ、Mo、Al元素外，還含有少量的Ｆｅ、Si等元素，且不同小顆粒中的元素含量有很大差異，且不同于基體成分，其中含有分別以Al、Ｆｅ為主要元素的析出相。α相和β相中Ti、Al、Zr、Mo等主元素含量相對接近，但還可能有硅化物、氧化物存在。由表2可見，球狀顆粒為TiＯ₂，α相中Ti、Ｃ、Al、Zr、Mo、Ｆｅ、Si各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有明顯差別，其特點(diǎn)是α相中Al高M(jìn)o低，而β相中Al低Mo高，這是由于Al是穩(wěn)定α相的元素，Mo是穩(wěn)定β相的元素。

表 1 圖 6 (b) 各位置的 EDS 分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表 2 圖 6 (c) 各位置的 EDS 分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

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3、結(jié)論

1）TC11鈦合金經(jīng)熱旋壓以及時(shí)效處理后的α相、β相兩種組織均明顯被拉長，發(fā)生了β相向α相的不完全轉(zhuǎn)變，但熱旋壓和時(shí)效后的析出相組成不同。熱旋壓后有Al3Ti、Si3Ti2Zr3等析出相，而時(shí)效后有Al3Ti、TiZr、Ti2Zr、Si3Ti2Zr3等析出相。

2）TC11鈦合金中α相的硬度略大于β相，熱旋壓后的綜合硬度較原始雙重退火態(tài)提升20％，再經(jīng)時(shí)效處理后的綜合硬度較原始雙重退火態(tài)提升22％，即時(shí)效處理后的綜合硬度略大于熱旋壓態(tài)。熱旋壓對TC11鈦合金的硬度影響最大，再經(jīng)時(shí)效處理后的硬度提升較小。

3）TC11鈦合金熱旋壓＋時(shí)效處理后的拉伸斷口為混合型斷口，其中α相區(qū)呈解理斷裂，β相區(qū)含撕裂棱。α相是硬脆性相且不易變形，含較多穩(wěn)定α相的Al元素。β相具有一定程度的延性，含有較多穩(wěn)定β相的Mo元素，且在初生β相區(qū)中存在α相的解理斷裂。另外，在斷口表面存在一定量的顆粒狀物質(zhì)，主要成分為TiＯ2。

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（注，原文標(biāo)題：熱旋壓及時(shí)效處理TC11鈦合金的組織與性能）

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