1、前言
TC11钛合金相当于前苏联的BT9，其名义成分为Ti－6.5Al－3.5Mo－1.5Zr－0.25Si，属高铝当量马氏体型α+β两相钛合金。这种合金具有很高的强度，主要用于制作飞机发动机压气机盘、叶片和叶轮等关键零部件，是目前航空工业上应用最广泛的钛合金之一［1］。
我国海洋浮体连接件一般用不锈钢薄壁环材制作。为了降低浮体的重量，拟用TC11合金制作规格为φ630mm/φ530mm×300mm的连接件。由于该连接件要承受大的作用力，因此要求环材的力学性能达到Rm≥1100MPa、Rp0.2≥1000MPa、A≥10%、Z≥20%，这比GJB494A—2008标准中规定TC11叶片棒材的强度指标高出70MPa，且塑性指标相当。本研究通过热处理的方式提高TC11合金薄壁环材的强度，以满足海洋浮体的使用要求。
2、实验
选用优质小颗粒海绵钛、纯铝、纯锆及钼中间合金作为实验原料，按名义成分配料、压制电极，经3次真空自耗电弧熔炼，得到TC11钛合金铸锭，其化学成分符合GB3620标准要求:Al6.0%～6.8%、Mo2.8%～3.8%、Zr1.0%～2.0%、Si0.20%～0.35%、Fe≤0.25%、C≤0.10%、N≤0.05%、O≤0.15%。铸锭(α+β)/β相转变温度为990～1010℃。
将铸锭加热到相变点以上温度保温一定时间，出炉后在1250t水压机上进行1～2火自由锻镦－拔变形，以增加单相区变形量。随后在3150t水压机上锻造，加热温度为相变点以上30～100℃，同时合理控制锻造工艺参数，β相区变形量大于70%。
单件制坯后在1250t水压机上分多火次进行环材制备，有镦粗、拔长、冲孔、扩孔整形和轧环等工艺，加热温度为相变点以下20～40℃，两相区变形量达60%～90%。从环材上切取用于室温力学性能测试的试样坯料，分别选用5种固溶温度、3种固溶冷却方式和5种时效温度进行热处理研究，然后进行室温拉伸试验，确定最佳的热处理制度。最后用确定的热处理制度对环材整体进行热处理，并对热处理后的环材进行室温力学性能测试和显微相组织观察。
3、结果与讨论
3.1固溶温度对TC11合金环材力学性能的影响
选取了850、880、920、950和980℃5种固溶温度，时效制度为530℃×6h/AC的热处理制度对TC11合金环材试样进行处理。热处理后试样的力学性能测试结果见表1。
由固溶处理后试样的力学性能测试结果可知:随着固溶温度的升高，TC11合金环材的屈服强度、抗拉强度和断面收缩率相差不大，但当固溶温度高于900℃时伸长率提高了30%～40%，提高幅度较大。综合来看，950℃×1h/AC的固溶制度能够使TC11合金环材的强度和塑性达到较好的匹配，但强度不能满足要求。
3.2固溶冷却方式对TC11合金环材力学性能的影响
选取固溶温度为950℃，保温1h，分别进行空冷、风冷、水冷等不同冷却速度的热处理实验，时效制度为530℃×6h/AC。热处理后试样力学性能测试结果见表2。
对比3种冷却方式对试样力学性能的影响可知，随着固溶冷却速度的加快，试样强度提高，且采用水冷方式时塑性下降明显。其中，经风冷冷却比空冷冷却后的强度略有提高，塑性无明显变化，采用水冷方式强度则提高了150～250MPa，塑性下降。
总之，风冷和空冷均不能使强度满足要求，而采用水冷不能使塑性满足要求，因此，不能通过单纯改变冷却方式使试样力学性能满足要求。
3.3时效温度对TC11合金环材力学性能的影响
根据3.1节和3.2节结论，选择高于900℃的固溶温度及水冷的冷却方式进行时效温度实验，这样不仅可提高强度，而且不会过多的损伤塑性，因此，确定固溶制度为930℃×1.5h/WC。选取500、530、580、620和650℃5个时效温度，时效热处理时间均为6h，时效后空冷。热处理后试样力学性能测试结果见表3。
从表3可以看出，随着时效温度的升高，TC11合金环材的强度下降，塑性提高。当时效温度低于580℃时，其塑性不能满足环材力学性能的要求;当时效温度大于600℃时，抗拉强度和屈服强度值下降较明显，因此时效温度不宜超过600℃。在930℃×1.5h/WC+580℃×6h/AC固溶时效处理后的强度比时效温度大于580℃的强度高，塑性值相当，但塑性值没有任何富余量，因此简单的双重热处理不能满足研究要求，需要对TC11合金环材进行三重热处理。
3.4三重热处理对TC11合金环材力学性能的影响
TC11合金薄壁环材第一重热处理按3．1节结论选择950℃×1h/AC固溶处理，主要目的是调整初生α相和转变β之间的比例，达到强度和塑性的较好配比，提高塑性值 ［2］。第二重热处理按3．2节结论选择930℃×1.5h/WC固溶处理，使室温拉伸强度提高20%～30%，进行固溶强化。第三重热处理按3．3节结论选择580℃×6h/AC时效处理，起弥散强化作用，室温拉伸强度略有提高，塑性保持不变。所以最终的热处理制度为950℃×1h/AC+930℃×1.5h/WC+580℃×6h/AC。表4为TC11合金薄壁环材试样和整体经过三重热处理后的力学性能。
从表4可以看出，TC11合金环材试样经三重热处理后的强度较双重热处理试样的强度相当，塑性提高;整体热处理比试样热处理的强度值低、塑性值高，这是因为整体热处理的冷却速度较试样热处理慢，与3.2节分析结果一致。
3.5显微组织
TC11合金薄壁环材经过950℃×1h/AC+930℃×1.5h/WC+580℃×6h/AC整体热处理后，从环材上直接取样观察显微组织，结果见图1。由图1可见，环材整体经三重热处理后的显微组织由等轴α相和β转变组织组成，α相分布均分，无长条和大块α相。这种组织状态具有优良的强度和塑性匹配［3］。
4、结论
规格为φ630mm/φ530mm×300mm的TC11合金薄壁环材通过950℃×1h/AC+930℃×1.5h/WC+580℃×6h/AC三重热处理，可以使室温拉伸性能达到Rm≥1100MPa、Rp0.2≥1000MPa、A≥10%、Z≥20%。显微组织由等轴α相和β转变组织组成，α相分布均分，无长条和大块α相。
参考文献
［1］中国航空材料手册编辑委员会．中国航空材料手册:铜合金及钛合金［M］．北京:中国标准出版社，2001:147－173．
［2］唐光昕，朱张校．TC11合金在不同热处理条件下的显微组织分析［J］．稀有金属，2002(3):21－24．
［3］张宝昌．有色金属及其热处理［M］．西安:西北工业大学出版社，1993．
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