TC11鈦合金相當(dāng)于前蘇聯(lián)的BT9鈦合金。該合金的名義成分為6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.25Si，屬高鋁當(dāng)量馬氏體型α+β兩相鈦合金。這種合金具有優(yōu)異的熱強(qiáng)性能，主要用于制作工作溫度在500℃以下的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤、葉片和葉輪等關(guān)鍵零部件，是目前航空工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的鈦合金之一。隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，對(duì)TC11鈦棒材的規(guī)格和組織性能的要求越來越高，本文針對(duì)TC11大規(guī)格棒材的組織均勻性差、力學(xué)性能的匹配差等問題，通過制定合理可行的主導(dǎo)工藝方案，從而最終獲得各個(gè)部位組織均勻一致、力學(xué)性能完全符合標(biāo)準(zhǔn)及用戶使用要求的Φ320mm大規(guī)格棒材。
1、試驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方法
1.1 試驗(yàn)材料
試驗(yàn)用材料選用優(yōu)質(zhì)小顆粒海綿鈦，采用真空自耗電弧爐三次熔煉，其化學(xué)成分符合GB3620-2007標(biāo)準(zhǔn)要求。(α+β)/β轉(zhuǎn)變溫度990 ～ 1010℃ 。
1.2 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)按 A、B 兩種工藝進(jìn)行。工藝A采用鑄錠加熱至相變點(diǎn)以上較高溫度，采用常規(guī)鍛造工藝進(jìn)行1～2火自由鍛變形，單相區(qū)變形量大于50%，之后在兩相區(qū)采用常規(guī)鍛造工藝進(jìn)行變形，變形量為40%以上，最終鍛制得到直徑為φ280規(guī)格成品棒材。
工藝B采用鑄錠加熱至相變點(diǎn)以上較高溫度，進(jìn)行1～2火自由鍛變形，單相區(qū)變形量大于70%，采用特殊鍛造方法，走圓－圓系變形。然后進(jìn)行均勻化處理，再在兩相區(qū)加熱，進(jìn)行多火的特殊鍛造方法以及工序控制方法，兩相區(qū)變形量為85%以上，最終鍛制得到直徑為φ320mm規(guī)格成品棒材。
2、試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 力學(xué)性能分析
分別在兩種鍛制工藝得到的成品棒材的中心、1/2R、邊部各點(diǎn)制取橫向和縱向試樣，試樣經(jīng)950℃/1h.AC+530℃/6h.AC熱處理后，進(jìn)行室溫力學(xué)性能和500℃高溫力學(xué)性能測試，測試結(jié)果見表1和表2，接著對(duì)鍛制的φ320mm規(guī)格成品棒材熱穩(wěn)定性、高溫持久性和沖擊性能進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表3。
從以上圖表1中可以看出，工藝A鍛制的φ280mm大規(guī)格棒材同一截面上中心、1/2R、邊部各點(diǎn)力學(xué)性能差異較大，從中心至邊部強(qiáng)度值逐漸提高，中心和邊部相比較，抗拉強(qiáng)度相差約70MPa。經(jīng)分析認(rèn)為，這是由于邊部較中心變形更充分，組織更細(xì)小。而按工藝B鍛制的φ320mm大規(guī)格棒材同一截面上中心、1/2R、邊部各點(diǎn)力學(xué)性能均無明顯差異，棒材整體力學(xué)性能均勻性較好。
從表1、表 2 可以看出，工藝B鍛制的φ320mm大規(guī)格棒材室溫力學(xué)性能和500℃高溫力學(xué)性能明顯高于工藝A鍛制的φ280mm大規(guī)格棒材。分析原因?yàn)楣に嘊的變形量高于工藝A，各個(gè)部分的變形更充分，組織更細(xì)小。而細(xì)小組織可以起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用。由表3 可以看出工藝B鍛制的φ320mm大規(guī)格棒材熱穩(wěn)定性、高溫持久和沖擊性能都達(dá)到了一定的標(biāo)準(zhǔn)要求。
2.2 低倍組織分析
通過上述兩種鍛造方案鍛制的棒材低倍組織見圖1和圖2。從圖中可以看出，工藝A鍛制的φ280mm棒材的低倍組織有明細(xì)的清晰晶，而工藝B鍛制的φ320mm棒材低倍組織為模糊晶。
2.3 顯微組織分析
分別對(duì)兩種鍛造工藝所得到的成品棒材在其對(duì)應(yīng)的中心、1/2R、邊部各點(diǎn)取橫向試樣，經(jīng)950℃/1h.AC+530℃/6h.AC熱處理后，得到各點(diǎn)的顯微組織如下圖所示:
從圖中可以看出，按工藝A鍛制的φ280mm棒材同一截面上從中心至邊部各點(diǎn)顯微組織為少量等軸α+大量長條α+β，特別是心部有明顯的大塊α; 而按工藝B鍛制的φ320mm 棒材同一截面上從中心至邊部各點(diǎn)橫向顯微組織為大量等軸α+極少量長條α+β，初生 α含量都在45~55%之間。這是由于工藝B鍛制的φ320mm棒材在單相區(qū)和兩相區(qū)變形量都較充分，并且在兩相區(qū)沒有采用鐓———拔工藝，只進(jìn)行變形較均勻的拔長變形，且變形量大于85%，已滿足把單相區(qū)不均勻變形產(chǎn)生的少部分的不均勻組織進(jìn)行了充分的變形， 所以得到了從中心到邊部各點(diǎn)組織均勻性好的TC11合金φ320mm大規(guī)格鈦棒材。
3、結(jié)論
通過單相區(qū)變形量大于70%和兩相區(qū)采用拔長變形，變形量大于85%的鍛造工藝，可以獲得同一截面上各點(diǎn)組織均勻性較好、力學(xué)性能完全符合標(biāo)準(zhǔn)及用戶使用要求的φ320mm大規(guī)格棒材。
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