高壓熱處理對航空鈦合金葉輪用TC11鈦合金組織及力學性能的影響

TC11鈦合金具有比強度高、耐高溫、耐腐蝕和加工性良好等特點，常作為結構材料用于制造壓氣機盤、葉片等零部件，有著廣泛的應用[1-4]。近年來，隨著技術水平的不斷提高，對TC11鈦合金的需求逐年提升，同時也對TC11鈦合金的使用性能，尤其是綜合力學性能提出了更高的要求。為了獲得綜合力學性能良好的TC11鈦合金，工業上常通過退火處理、淬火時效處理和形變熱處理等工藝來改善微觀組織結構[5-9]。白鷺等[10]對TC11進行了700℃熱旋壓+時效處理，研究表明，TC11的抗拉強度最大可達到1242MPa，與退火態的TC11鈦合金原料相比，綜合力學性能得到了顯著的提升。然而，這些方法存在工藝周期長、工藝復雜等缺點。因此，探索一種新的熱處理技術，對提高鈦合金的綜合力學性能具有重要意義。

近年來研究發現，在熱處理過程中施加壓力可以促進新相形核，細化晶粒尺寸，從而改善材料的微觀結構和力學性能[11-15]。Gu等[16]對熔滲后的Cu-Cr合金進行了高壓熱處理，結果表明，經過3GPa的高壓處理后，Cu-Cr合金的硬度和壓縮屈服強度分別為134HB和241MPa，比滲透態Cu-Cr合金的分別提高了11.67%和19.31%。Wei等[17]研究發現，在2GPa和474K下處理1h后，Al-Mg合金的力學性能顯著改善，拉伸強度達到467MPa，屈服強度達到245MPa，是常壓處理的3倍。劉建強等[18]對TC6鈦合 金進行了2GPa高壓熱處理，研究發現，經2GPa高壓熱處理后，TC6合金的硬度為5.27GPa，彈性模量為131.36GPa，較退火態的4.12GPa和117.24GPa有了較大的提升。然而，現階段關于高壓熱處理對TC11合金微觀組織影響和力學性能關系的研究較少。為此，本文將研究高壓熱處理對TC11鈦合金微觀組織和力學性能的影響規律。

1、實驗

選擇退火態的TC11鈦合金為研究對象，其化學成分如表1所示。采用六面頂高壓設備對試樣尺寸為Φ6mm×10mm的退火態TC11鈦合金試樣進行高壓熱處理實驗，其工藝示意圖如圖1所示。高壓熱處理工藝流程如下：分別在1、3、5GPa壓力下，將退火態TC11鈦合金試樣加熱至1000℃并保持20min，然后斷電取出試樣，空冷至室溫。為了對比研究，在常壓下對退火態TC11鈦合金試樣進行熱處理，其工藝過程為：在KL-12D箱式電阻爐中將試樣加熱至1000℃并保持20min，然后取出試樣空冷至室溫。

采用納米力學測試儀（納米壓痕壓頭為曲率半徑150nm的Berkovich壓頭）對高壓熱處理和常壓熱處理的TC11鈦合金試樣的抗塑性變形能力進行測試，采用的外力載荷為3000μN，載荷保持時間為2min，載荷加載和卸載速率均為90μN/s。采用WDW3100型電子萬能實驗機和FM-ARS-9000型硬度計對實驗試樣的室溫抗壓強度和硬度進行測試。采用Gleeble-3800熱模擬實驗機測試400℃下試樣的抗壓強度，具體過程如下：以5℃/s的加熱速率升溫到400℃，然后在該溫度下保持3min，在變形速率為1s^?1條件下進行熱壓縮實驗。采用S-4800掃描電子顯微鏡（SEM）對試樣的顯微組織和壓縮斷口進行分析。采用DMAX-RB型號X射線衍射儀（XRD）分析試樣物相組成，采用JEOL-2010透射電子顯微鏡（TEM）觀察試樣的微觀組織和位錯密度。

2、結果與分析

2.1高壓熱處理后TC11鈦合金微觀組織

不同狀態下TC11鈦合金的顯微組織如圖2所示。由圖2a可以看出，原始退火態TC11鈦合金試樣的微觀組織由α相和晶間β相組成，其中α相為圖2a中的白色組織，表現出不規則的塊狀和條狀特征，β相為晶間黑色組織。圖2b為經1000℃常壓退火處理后的微觀組織形貌，可以看到，組織由條狀α相和晶間β組成。與原始退火態相比，圖2b中α相的特征形貌發生了變化，由不規則的塊狀全部轉化為條狀，經測量，常壓處理后，α相板條束長度約為21.5μm，板條束寬度約為3.45μm，如圖2c—e所示，經高壓熱處理后，組織中的α相呈頸縮連接或局部斷開的細條狀，與常壓熱處理的試樣相比，經過高壓熱處理的TC11鈦合金組織中的α相得到了明顯細化，α相板條束長度為8~10μm，板條束寬度為1.4~1.6μm。進一步分析1、3、5GPa壓力處理試樣微觀組織的差異，可以發現，隨著壓力的增大，合金的組織特征變化不明顯，相比之下，3GPa壓力處理后的組織較細，α相板條束的長度約為8.25μm，寬度約為1.45μm，因此，選擇3GPa壓力處理試樣為代表，與常壓熱處理試樣進行對比分析。

以3GPa高壓熱處理試樣和常壓處理試樣為例，進行TEM形貌對比分析，研究高壓熱處理與常壓熱處理對TC11鈦合金顯微組織的影響。圖3a為常壓熱處理TC11鈦合金的TEM形貌，可以看出，α相呈條狀且平直的形態特征。圖3b為3GPa高壓熱處理后的微觀組織，可以觀察到，條狀的α相有熔斷現象，并且組織中形成大量散亂的細小條狀α相。進一步對組織內部的位錯特征進行對比分析，結果如圖4所示。可以發現，經3GPa高壓熱處理后，組織中的位錯密度較常壓熱處理后的位錯密度明顯提高。常壓和3GPa高壓熱處理試樣的XRD結果如圖5所示，可以看出，3GPa高壓熱處理和常壓熱處理后的TC11鈦合金組織均由α相和β相兩相組成，僅是α相、β相的衍射峰強度和峰位有所不同。由此可見，高壓熱處理能改變TC11鈦合金組成相的形狀、大小、數量與分布，但并未導致新相生成。

對常壓和高壓熱處理后TC11鈦合金的組織變化規律進行分析，認為當TC11鈦合金被加熱至1000℃時，合金處在β單相區，在隨后的冷卻過程中，TC11鈦合金將發生β相向α相轉變[19]，因此，經過常壓熱處理和高壓熱處理后，TC11微觀組織由α相和晶間β相組成。進一步對高壓熱處理后的組織細化原因進行分析。研究表明，一方面在高壓熱處理過程中，超高壓力會使合金產生內應力、基體組織中產生大量位錯[20]，這為固體相變過程中新相的形核提供了更多的位置，提高了晶核的成核率[21]。另一方面，超高壓力會降低原子的擴散系數，抑制晶核長大[22]。故在經過高壓熱處理后的TC11鈦合金內，出現了細條狀α相，組織有所細化。

2.2高壓熱處理后TC11鈦合金力學性能

2.2.1抗塑性變形能力

TC11鈦合金在常壓和高壓熱處理后納米壓痕載荷與納米壓痕深度之間的關系如圖6所示。可以看出，常壓熱處理和3GPa高壓熱處理后的TC11鈦合金在納米壓痕結果曲線上均出現了一個平臺，表明合金發生了蠕變現象。常壓熱處理和3GPa高壓熱處理后TC11鈦合金納米壓痕結果如表2所示。在相同載荷下，3GPa高壓熱處理后TC11鈦合金的硬度、彈性模量分別為5.19HV和128.04GPa，均高于常壓熱處理后TC11鈦合金試樣的4.06HV和115.68GPa。而經3GPa高壓熱處理后，TC11鈦合金的蠕變量、最大壓痕深度和卸載后殘留壓痕深度均小于常壓熱處理后TC11鈦合金試樣的。相關研究表明，納米壓痕實驗卸載后的殘余壓痕深度可以表征合金的抗塑性變形能力，殘余壓痕深度越大，表示塑性變形越大[23-24]。因此，3GPa高壓熱處理可以提高TC11鈦合金的塑性與變形抗力。

2.2.2硬度

常壓和高壓熱處理后TC11鈦合金硬度與壓力的關系曲線如圖7所示，其中0GPa代表常壓熱處理。可以明顯看出，經高壓熱處理后，合金的硬度高于常壓退火處理TC11鈦合金的硬度（335HV）。當壓力為1~5GPa時，隨著壓力的增大，TC11鈦合金的硬度有所增大，但超過3GPa以后，合金的硬度基本沒有明顯變化。由測試結果可知，經3GPa高壓熱處理后，TC11鈦合金的硬度為378HV，較相同加熱溫度和保溫時間的常壓熱處理的硬度（335HV）提高了12.84%。

2.2.3抗壓強度

TC11鈦合金抗壓強度與壓力的關系如圖8所示。可以看到，高壓熱處理后合金的室溫和高溫抗壓強度均高于常壓熱處理后合金的室溫和高溫抗壓強度。當壓力為1~5GPa時，隨著壓力的增大，TC11鈦合金的室溫和高溫抗壓強度變化不明顯。由實驗結果可知，經3GPa熱處理后，TC11鈦合金的室溫抗壓強度和400℃抗壓強度分別為1610MPa和1442MPa，分別較相同加熱溫度和保溫時間的常壓退火處理的室溫抗壓強度（1465MPa）和400℃抗壓強度（1328MPa）提高了9.89%和8.58%。

常壓和高壓熱處理后TC11鈦合金室溫壓縮斷口形貌如圖9所示。可以看出，與常壓熱處理后的相比，3GPa高壓熱處理后的TC11鈦合金斷口平整，斷口中的韌窩數量明顯減少，韌窩深度也顯著降低。這也佐證了3GPa高壓熱處理后TC11鈦合金的強度較常壓熱處理后的強度高。

2.3組織與性能相關性

對高壓熱處理可以改善TC11鈦合金力學性能的原因進行分析。研究表明，一方面，經高壓熱處理后，合金組織內部存在比常壓熱處理更高的位錯密度[25]，在位錯運動過程中更容易發生位錯之間的交割和相互纏結，從而造成位錯塞積，產生加工硬化效果，提高合金的強度和硬度力學性能。另一方面，高壓熱處理可以抑制元素擴散速率[26]，細化TC11鈦合金微觀組織，組織細化將會使塑性變形更均勻，有效減少內應力集中，更有利于提高合金塑性。綜上所述，經過高壓熱處理后，TC11鈦合金的抗塑性變形能力、硬度和抗壓強度等力學性能得到了一定的提升。

3、結論

研究了高壓熱處理對TC11鈦合金微觀組織和力學性能的影響，得到以下結論：

1）經過高壓熱處理后，TC11鈦合金的抗塑性變形能力、硬度和抗壓強度均在一定程度上有所提高。當TC11鈦合金經3GPa壓力、1000℃保溫20min熱處理后，硬度、室溫抗壓強度和400℃抗壓強度分別為378HV、1610MPa和1442MPa，較相同工藝常壓熱處理后的分別提高了12.84%、9.89%和8.58%。

2）對高壓熱處理改善TC11鈦合金力學性能的機制進行分析，結果表明，高壓熱處理可以細化TC11鈦合金組織，增大基體的位錯密度，從而提高了TC11鈦合金的綜合力學性能。

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