TC11鈦合金屬于高Al當量馬氏體型α+β鈦合金，該合金具有優異的高溫強度，熱穩定性及抗蠕變性能，被廣泛應用于航空航天領域。TC11鈦合金作為重要的航空和宇航材料，主要用于制造服役溫度在500℃以下的航空發動機壓氣機盤、葉片、鼓筒等零件及飛機結構件等。隨著航空航天技術的飛速發展，對這些關鍵部件用鈦合金的性能要求越來越高，要求其具有更加優異的綜合性能。而鈦合金的綜合性能與其最終的組織形態、相的比例、晶粒的大小及分布情況密切相關。
　　目前，鍛造是鈦材熱加工中最常用且最有效的加工方法。不僅可以直接鍛造成工件的形狀，還可以優化其微觀組織，改善其力學性能。但是，鍛造存在遺傳性，會造成成品棒材、餅材、環鍛件等組織不均勻問題，尤其是大型的餅、環鍛件。為此，我們采用多火次換向鐓拔鍛造工藝制備大規格環材，該變形方式可以使原始坯料中的鑄態晶粒得到充分破碎和再結晶，從而消除了成品中出現的金相缺陷。同時，研究熱處理工藝對大規格環材組織、力學性能的影響，從而確定最優化的熱加工工藝。
　　實驗材料及方法
　　本文實驗所用材料為TC11鈦合金鑄錠，采用3次VAR熔煉，錠型φ700mm，其主要化學成分：Al：6.7%，Mo：3.3%，Zr：1.8%，Si：0.3%，其余為Ti。經金相法測定其相變點為1016℃，鑄錠經β相區開坯鍛造，α+β相區環坯鍛造、沖孔，擴孔成形鍛造制得成品規格為φ830mm/φ520mm×220mm。在環材高度方向上截取試樣環進行熱處理實驗，熱處理在箱式電阻爐中進行，其方案見表1。
　　表1熱處理工藝

　　為研究環材組織和力學性能的均勻性，將大規格環材按優化出的熱處理工藝制度進行整體熱處理后，沿厚度方向分為外表層、1/2層和內表層，沿高度方向分為上表面、H/4、H/2、3H/4和下表面（H為環材高度），共15個位置，進行室溫拉伸性能檢測，考核其力學性能的均勻性，觀察不同方向的顯微組織，考核其組織的均勻性。

　　圖1不同固溶溫度下TC11合金環材的顯微組織
　　實驗結果與分析
　　⑴固溶溫度對TC11鈦合金環材組織的影響。
　　圖1為TC11鈦合金環材經過950℃～990℃固溶處理+530℃時效處理6小時后的顯微組織。在不同固溶溫度+時效處理后，TC11環材顯微組織是由等軸初生α相和β轉變組織組成，β轉變組織上分布著細小的針狀和短棒狀次生α相。隨著固溶溫度由950℃升高到990℃，等軸初生α相含量逐漸減少，由950℃時的50%逐漸遞減至990℃時的10%，且初生α相晶粒尺寸逐漸增大。同時，隨著固溶溫度的升高，針狀次生α相含量逐漸增加且變得更加細小彌散。同時，伴隨著部分初生α相的逐漸溶解，未轉變的β相基體含量的飽和度增大，為次生α相的析出增大了驅動力，促使次生α相的含量逐漸增多且細小而彌散。
　　⑵固溶溫度對TC11鈦合金環材力學性能的影響。TC11鈦合金環材經過不同固溶溫度處理后的力學性能如圖2所示。

　　圖2不同固溶溫度下TC11合金環材的力學性能
　　隨著固溶溫度由950℃升高到990℃，TC11合金的強度先升高后降低，970℃達到峰值，塑性先降低后升高，970℃時為低谷，相比強度的變化，塑性變化趨勢較緩。在室溫下，起主要強化作用的是位錯，隨著固溶溫度升高，提供的相變驅動力促使次生α相的析出，在塑性變形時，彌散的α相周圍產生的應力場阻礙了位錯運動，同時α和β相的界面產生彌散強化，使強度大幅提高；隨著固溶溫度950℃升高到970℃，其塑性變化不明顯，斷面收縮率和鍛后伸長率略有降低。隨著固溶溫度升高到980℃，初生α相含量驟減，且初生α相長大，導致兩相間相界面較少，對位錯的阻礙作用減弱，從而使強度下降，塑性變化略有提高，由此可知，在970℃固溶時，TC11鈦合金的強韌性匹配最優。
　　冷卻速度對TC11鈦合金環材性能的影響
　　TC11鈦合金經970℃固溶處理后，不同冷卻速度的力學
　　性能見表2。由表2可以知，固溶后采用水冷比空冷抗拉強度高260MPa，屈服強度高約220MPa，同時水冷的塑性驟降。圖3為TC11鈦合金970℃固溶處理后水冷的SEM組織，由圖3可知，水冷時，高溫固溶處理時大量的亞穩定β相被固定下來，在隨后的低溫時效過程中，較多的次生α相從亞穩定β相分解出來，并交叉排列在β轉變基體上。由于冷卻速度快，過冷度大，再結晶晶粒來不及長大，同時引起了晶格畸變，促使在時效過程中，大量細小、無方向性的針狀α相從亞穩定β轉變相中析出。這些大量的細小次生α相，交錯排列，相界面阻礙了滑移的進行，從而使合金變形困難，因此，片狀β轉變組織越多，強度越高，塑性越差。
　　表2不同冷卻速度下的TC11鈦合金力學性能

　　圖3水冷后TC11合金環材的SEM組織
　　TC11鈦合金環材性能均勻性研究
　　為提高合金的使用穩定性、性能的穩定性，在實際生產應用中，TC11鈦合金大型餅材、環鍛件均是在熱處理狀態下服役。研究熱處理工藝對TC11鈦合金組織和性能的影響，得出最優的熱處理制度為970℃/保溫2hAC+530℃/6hAC。將文中大規格環材φ830mm/φ520mm×220mm按照此熱處理制度整體熱處理后，研究其組織和性能的均勻性。圖4為TC11環材沿壁厚和高度方向不同位置的顯微組織，由圖4可知，采用多火次換向鐓拔鍛造工藝制備大規格環材，環材在高度方向以及厚度方向的組織均為雙態組織，且組織均勻分布，等軸初生α相晶粒尺寸大小均勻分布。對比圖4和圖1中(c），均為970℃/保溫2hAC+530℃/6hAC處理后的組織，發現圖1(c）中初生α相含量比圖4中少，而次生α相略多于圖4。
　　圖5為TC11鈦合金環材不同位置的力學性能，由圖5可知，該環材在徑向和厚度方向的力學性能均勻性良好，抗拉強度Rm的極差值為15MPa，屈服強度Rp0.2的極差值為18MPa，斷后伸長率A的極差值為4.5%，斷面收縮率Z的極差值為12%。對比圖5和表2，相同固溶時效處理后，試樣熱處理比環材整體熱處理性能高出約80MPa，塑性變化不大。在實際生產過程中，可以通過加快環材在空氣中冷卻速率而提高其強度。
　　結論
　　⑴TC11鈦合金隨著固溶溫度的升高，初生α相含量逐漸減少，且初生α相晶粒尺寸逐漸增大，次生α相含量逐漸增多。室溫強度隨著固溶溫度的升高先升高后降低，同時塑性變化幅度不大。

　　圖4TC11合金環材不同位置的顯微組織
　　TC11鈦合金大規格環材的組織與性能研究

　　⑵隨著冷卻速率的加快，TC11鈦合金強度增大，塑性驟降。
　　⑶采用多火次鐓拔換向鍛造的TC11大規格環材的組織和力學性能均勻性良好。在970℃/2hAC+530℃/6hAC固溶時效后，環材具有穩定的強塑性。
　　作者簡介
　　張雪敏，碩士研究生，工程師，主要從事鈦及鈦合金塑性變形原理，鍛造及熱處理工藝研究。