TC11钛合金管热旋压成形及时效处理后的组织特征、性能优化与断裂机理分析

TC11钛合金是一种综合性能优异的α+β型双相钛合金，具有耐热性和低温性能好､比强度高､耐腐蚀性强等优点 [1⁃2]，广泛应用于航空航天､能源和国防等领域 [3⁃5]。随着我国航天事业的不断发展，各类导弹对发动机壳体性能及整体结构轻量化 [6⁃7] 提出了更高的要求，使得TC11钛合金成为未来导弹发动机壳体备选材料之一 [8]。

TC11钛合金常温下存在强度高､塑性低､加工硬化强烈､易开裂等问题，不利于室温条件下成形 [9]。大量国内外学者对TC11钛合金热变形和热加工工艺进行了研究，关国辉 [10] 研究了TC11钛合金的热变形特性，发现该合金的塑性随变形温度的升高而增大，变形抗力随温度的升高而降低。孙海全等 [11] 研究了TC11钛合金热旋压变形性能，结果表明，该合金在同一变形温度下，α相随应变速率的增加呈先增多再减少的趋势。王晓亮等 [12] 研究了不同退火组织对TC11钛合金动态冲击性能的影响，结果表明，该合金经合理的优化双重退火处理可以得到更加优异的室温准静态和动态力学性能。王金惠等 [13] 研究了固溶､时效工艺对TC11钛合金组织及性能的影响，发现TC11合金时效初期初生α_p相略有长大，时效后期二次α相大量析出。

TC11钛合金用于发动机壳体，往往需经热旋压成形 [14]，再经时效处理 [15] 获得高的强韧性。因此，研究TC11钛合金热旋压及时效处理后的组织及性能显得尤为重要。本文以TC11钛合金为研究对象，对热旋压及时效后的微观组织､力学性能､拉伸断口等进行了研究，为TC11钛合金的理论研究及工程应用提供一定的依据。

1、试验材料与方法

试验材料为双重退火态TC11钛合金热轧管材，其主要化学成分 (质量分数，%) 为 6.50Al､3.38Mo､1.72Zr､0.29Si､0.12O，其余为 Ti，微观组织见图 1，可见钛合金α+β组织，即白色的α相和黑色的β相，组织分布均匀。采用三旋轮强力旋压机在 700℃下经 4 道次完成热旋压成形，热旋压后进行 560℃保温 3h 的时效处理。

采用 Zeiss Supera40 场发射扫描电镜 (SEM) 及配套能谱仪 (EDS)､JEM⁃2010F 高分辨分析型场发射透射电镜 (TEM) 分析TC11钛合金的组织形貌､晶体结构､断口形貌及成分；采用 HXS⁃1000AKY 显微维氏硬度计测量TC11钛合金的微观组织硬度，在加载载荷 200g､加载时间 15s 的条件下分别测定TC11钛合金中α相和β相的硬度，在加载载荷 200g、加载时间 15s 的条件下测定TC11钛合金的综合硬度；采用 CMT5105 型万能拉伸试验机进行拉伸性能测试。

2、试验结果与讨论

2.1 组织

图 2 为不同状态TC11钛合金的二次电子图像，其中等轴状α相呈灰色，片状β相呈亮白色。由图 2 (a,b) 可以看出，与双重退火态组织相比，热旋压后α相、β 相均明显被拉长，初生β相区析出了大量次生α相，次生α相与初生α相连成一片组成钛合金的基体，剩余β相被次生α相隔断呈不连续状分布，且次生α相基体上发现了球状析出相，而初生α相上基本没有析出相。由图 2 (c) 可以看出，热旋压和热旋压 + 时效处理后的TC11钛合金管材的组织形貌均呈现出β相被α相隔断的不连续状分布，这是由于在热旋压和时效处理过程中发生β相向α相的不完全转变，β 相中会有大量次生α相析出，此外β相中还有其它细小的析出相，析出颗粒尺寸小于 1μm。

2.2 微观结构

图 3 为热旋压态TC11钛合金的 TEM 图。由图 3 (a) 可见，沿α/β相界或在β相中有析出相析出，钛合金中的硅化物主要沿相界和晶界析出，这些沿晶界和相界分布的硅化物主要是在β相的分解转变过程中产生的，若在晶界连续析出金属间化合物，对材料的塑韧性会产生不利影响。除硅化物外，β 相的分解转变过程中还会产生锆化物､铝化物等。根据选区电子衍射斑点分析可知，图 3 (b) 为α相的衍射斑点，其晶带轴为 [1123]，晶面为 (0110)；图 3 (c) 为Al₃Ti相的衍射斑点，其晶带轴为 [0111]，晶面为 (1120)；图 3 (d) 为Si₃Ti₂Zr₃相的衍射斑点，晶面为 (0422)。因此，热旋压态钛合金组织除有α相、β 相外，还有Al₃Ti、Si₃Ti₂Zr₃等析出相。

图 4 为热旋压 + 时效处理TC11钛合金的 TEM 图。由图 4 (a) 可以看出，沿α/β相界或在β相中有析出相析出。根据选区电子衍射斑点分析可知，图 4 (b) 为α相的衍射斑点，其晶带轴为 [1123]，晶面为 (0110)；图 4 (c) 为β相的衍射斑点，其晶带轴为 [1216]，晶面为 (2423)；图 4 (d) 为Al₃Ti相的衍射斑点，其晶带轴为 [1213]，晶面为 (1120)；图 4 (e) 为 TiZr 相的衍射斑点，其晶带轴为 [5143]，晶面为 (2130)；图 4 (f) 为Ti₂Zr相的衍射斑点，其晶带轴为 [2423]，晶面为 (200)；图 4 (g) 为Si₃Ti₂Zr₃相的衍射斑点，晶面为 (0422)。因此，TC11 钛合金热旋压 + 时效处理后的组织除有α相、β 相外，还有Al₃Ti、TiZr、Ti₂Zr、Si₃Ti₂Zr₃等析出相。

2.3 微观硬度

图 5 为不同状态TC11钛合金的显微硬度。可以看出，α相的硬度略大于β相，这是由于α相属于硬化相，而β相属于软性相。另外，热旋压 + 时效态的α相、β 相硬度和综合硬度均略大于热旋压态，这是由于时效过程中发生了β相向α相的进一步转变，并伴随有化合物析出。由原始双重退火态、热旋压和热旋压 + 时效处理 3 种工艺下的综合硬度比较可知，热旋压和热旋压 + 时效处理的综合硬度明显大于原始双重退火态，分别提升 20% 和 22%。因此，热旋压工艺对TC11钛合金的硬度影响最大，再经时效处理后的硬度提升较小，这是由于热旋压过程使晶粒拉长和纤维化，产生加工硬化。

2.4 拉伸断口

图 6 为热旋压 + 时效处理TC11钛合金的拉伸断口二次电子图像。TC11 钛合金在时效后的抗拉强度可达到 (1215±5) MPa，由图 6 可见，拉伸断口宏观形貌呈脆性断裂，微观形貌为混合型断口，即解理断口上局部分布有分散的撕裂棱，断口表面存在大小不相同的球状颗粒，其会影响TC11钛合金管材的性能。进一步放大观察断口形貌可知，初生α相区为解理断裂，这与其硬而脆的特性相一致；而初生β相区中有α+β相，其中β相对应了断口上的撕裂棱，表明β相有较好的延展性，在β相区域隐约可观察到细小的析出相。

采用能谱仪 (EDS) 对断口上不同的典型微区进行成分分析，结果如表 1 和表 2 所示。由表 1 可见，大的球状颗粒的主要元素为 Ti 和 O，分析各种元素的质量分数可以判断该球状颗粒为TiO₂颗粒，可能伴有少量其他合金碳化物或氧化物；小的球状颗粒除主要含有 Ti､O､C､Mo､Al 元素外，还含有少量的 Fe､Si 等元素，且不同小颗粒中的元素含量有很大差异，且不同于基体成分，其中含有分别以 Al､Fe 为主要元素的析出相。α相和β相中 Ti 等主元素含量相对接近，但还可能有硅化物､氧化物存在。由表 2 可见，球状颗粒为TiO₂，α相中 Ti、C、Al、Zr、Mo、Fe、Si 各元素的质量分数有明显差别，其特点是α相中 Al 高、Mo 低，而β相中 Al 低、Mo 高，这是由于 Al 是稳定α相的元素，Mo 是稳定β相的元素。

表 1 图 6 (b) 各位置的 EDS 分析结果 (质量分数，%) Table1 EDS analysis results of each position in Fig.6 (b)(mass fraction,%)

表 2 图 6 (c) 各位置的 EDS 分析结果 (质量分数，%) Table2 EDS analysis results of each position in Fig.6 (c)(mass fraction,%)

3、结论

TC11钛合金经热旋压以及时效处理后的α相、β 相两种组织均明显被拉长，发生了β相向α相的不完全转变，但热旋压和时效后的析出相组成不同。热旋压后有Al₃Ti、Si₃Ti₂Zr₃等析出相，而时效后有Al₃Ti、TiZr、Ti₂Zr、Si₃Ti₂Zr₃等析出相。

TC11钛合金中α相的硬度略大于β相，热旋压后的综合硬度较原始双重退火态提升 20%，再经时效处理后的综合硬度较原始双重退火态提升 22%，即时效处理后的综合硬度略大于热旋压态。热旋压对TC11钛合金的硬度影响最大，再经时效处理后的硬度提升较小。

TC11钛合金热旋压 + 时效处理后的拉伸断口为混合型断口，其中α相区呈解理断裂，β 相区含撕裂棱。α相是硬脆性相且不易变形，含较多稳定α相的 Al 元素。β 相具有一定程度的延性，含有较多稳定β相的 Mo 元素，且在初生β相区中存在α相的解理断裂。另外，在断口表面存在一定量的颗粒状物质，主要成分为TiO₂。

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