航空用超大规格TC18钛合金棒材的制备及组织性能研究

钛及钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好等优良性能，在航空航天、汽车、生物医疗等领域展现出极强的发展潜力[1-5]。TC18钛合金是一种典型的高强高韧钛合金，名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，大量用作飞机起落架、飞机承重梁等大型承力结构件[6-14]。

随着航空工业的发展，新型飞机对承力结构件的要求逐渐向整体化、大型化方向发展，对原材料的尺寸要求也进一步提高[15-17]。颜孟奇等人[18]探究了热处理参数对φ300mmTC18钛合金棒材组织的影响；乔恩利等人[19]对比了3种不同锻造工艺对φ400mmTC18钛合金棒材组织与性能的影响，进而得出最优锻造工艺；顾忠明等人[20]研究了φ400mmTC18钛合金棒材组织与力学性能的对应关系。但对于更大规格TC18钛合金棒材的研究鲜有报道，这是由于超大规格棒材的组织均匀性与力学性能稳定性难以控制。

为此，开展了φ500mmTC18钛合金棒材的研制工作，以期获得成分、组织、性能满足航空标准要求的超大规格TC18钛合金棒材，为高强高韧钛合金大型化发展奠定技术基础。

1、实验

选用高纯海绵钛和MoAl、VAl、CrAl、FeAl中间合金，经3次真空自耗电弧熔炼制备规格为φ720mm的TC18钛合金铸锭。铸锭质量为5250kg，通过金相法测得铸锭相变点为870~875℃。在铸锭头部、中部、尾部3个部位取样，进行化学成分分析。

铸锭经80MN快锻机在相变点以上开坯锻造，对粗大的铸态组织进行充分破碎，通过多道次的镦拔锻造进一步细化晶粒，最终在α＋β相区锻造成φ500mmTC18钛合金棒材。TC18钛合金棒材单根质量超过2500kg，实物如图1所示。

为了对棒材的组织均匀性进行评价，在棒材的头、尾区域各切取一个35mm厚试样片进行热处理，热处理制度为835℃保温2h，炉冷到750℃，保温2h后空冷，后续在615℃时效6h后空冷。对热处理后的试样片进行低倍组织观察，在试样片的边部、R/2、心部切取15mm×15mm×10mm的金相试样，使用240#、400#、1000#、2000#砂纸依次打磨，抛光后使用配比为3%HF＋7%HNO₃＋90%H₂O（体积比）的腐蚀液进行蚀刻。采用OlympusGX71光学显微镜（OM）、JSM-IT700HR扫描电子显微镜（SEM）观察棒材不同部位的微观组织。

为了对TC18钛合金棒材力学性能的稳定性进行评价，在热处理后试样片R/2处取样，根据GB/T228.1—2021标准加工成φ5mm拉伸试样，采用ZWICK万能材料拉伸试验机进行室温拉伸性能测试；根据GB/T229―2007标准加工成10mm×10mm×55mm冲击试样，采用ZWICK300J摆锤冲击试验机进行室温冲击性能测试；根据GB/T4161—2007标准加工成62.5mm×60mm×25mm冲击试样，采用MTSLandmark电液伺服疲劳试验机进行室温断裂韧性测试。为确保实验数据准确、可信，每组拉伸试验取3个平行试样进行测试。

2、结果与分析

2.1铸锭成分均匀性

表1为TC18钛合金铸锭头部、中部、尾部3个部位的化学成分分析结果。由表1可以看出，TC18钛合金铸锭的主元素Al、Mo、V、Cr和Fe的极差分别为0.03%、0.07%、0.04%、0.02%，杂质元素O的极差仅有0.006%，表明铸锭整体成分均匀性良好。

2.2棒材组织

2.2.1棒材宏观组织

图2为TC18钛合金棒材低倍组织照片。由图2可见，棒材头、尾低倍组织无明显分层、裂纹、气孔、偏析、金属和非金属夹杂及其他肉眼可见的冶金缺陷；无肉眼可见的清晰晶粒，低倍组织均匀模糊。

2.2.2棒材显微组织

图3为TC18钛合金棒材不同部位的金相照片，图中白色的物相为α-Ti相，黑色的物相为β-Ti相。由图3可知，TC18钛合金棒材组织均由α相和β相组成，α相在β相中均匀分布，无明显分层、团聚现象。对比棒材头部和尾部不同部位的微观组织，无明显区别，说明棒材整体的组织均匀性良好。

图4为TC18钛合金棒材头部、尾部不同部位的SEM照片。由图4可知，TC18钛合金棒材的微观组织主要由近等轴的初生α相、细针状的次生α相以及分布在α相之间的β基体组成，组织分布均匀，无明显团聚、分层现象。

为对比TC18钛合金棒材不同部位的微观组织，使用ImageJ软件对不同部位初生α相的平均晶粒尺寸进行统计，结果如图5所示。由图5可知，TC18钛合金棒材头与尾的边部、R/2和心部初生α相的晶粒尺寸较为接近，最大为4.12µm，最小为3.94µm，极差仅为0.18µm，说明棒材整体的组织均匀性良好。

通过ImageJ软件对棒材不同部位初生α相、次生α和β相的体积分数进行统计，结果如图6所示。由图6可以看出，TC18钛合金棒材头部和尾部的物相分布接近，极差不超过3%。对比边部、R/2和心部的物相体积分数，初生α相、次生α相和β相的含量相近，无明显区别，棒材整体的组织均匀性良好。

2.3棒材力学性能

对TC18钛合金棒材头部与尾部的边部、R/2、心部区域的室温拉伸性能、冲击性能以及断裂韧性进行测试，对比不同部位的力学性能，进而对棒材整体的性能稳定性进行分析。图7为TC18钛合金棒材的室温拉伸测试结果。由图7可见，棒材不同部位的室温拉伸性能较为接近，抗拉强度最大为1115MPa，最小为1104MPa，极差为11MPa；屈服强度最大为1057MPa，最小为1047MPa，极差为10MPa；延伸率最大为13%，最小为11%，极差为2%；断面收缩率最大为32%，最小为26%，极差为6%，棒材整体的性能稳定性较好。

图8为TC18钛合金棒材不同部位的冲击韧性和断裂韧性测试结果。由图8可知，棒材头部和尾部的不同区域韧性测试结果相近，冲击吸收能量（KU2）的范围为35.7~40.9J/cm²，头部与尾部偏差仅为5.2J/cm²，断裂韧性值（KIC）的范围为63.3~67.5MPa·m^1/2，头部与尾部偏差仅为4.2MPa·m1/2，棒材整体的性能稳定性较好。

3、结论

(1)TC18钛合金铸锭不同部位的成分均匀性良好，各主元素极差控制在0.1%以内。

(2)φ500mm超大规格TC18钛合金棒材头、尾的低倍组织均匀一致，不同部位的微观组织无明显差异，说明棒材整体组织均匀性良好。

(3)φ500mm超大规格TC18钛合金棒材不同部位的力学性能接近，无明显差异，性能稳定性较好。

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