航空用超大規格TC18鈦合金棒材的制備及組織性能研究

鈦及鈦合金具有密度低、比強度高、耐蝕性好等優良性能，在航空航天、汽車、生物醫療等領域展現出極強的發展潛力 [1-5] 。TC18 鈦合金是一種典型的高強高韌鈦合金，名義成分為 Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，大量用作飛機起落架、飛機承重梁等大型承力結構件 [6-14] 。

隨著航空工業的發展，新型飛機對承力結構件的要求逐漸向整體化、大型化方向發展，對原材料的尺寸要求也進一步提高 [15-17] 。顏孟奇等人 [18] 探究了熱處理參數對 φ 300 mm TC18 鈦合金棒材組織的影響；喬恩利等人 [19] 對比了3種不同鍛造工藝對 φ 400 mm TC18鈦合金棒材組織與性能的影響，進而得出最優鍛造工藝；顧忠明等人 [20] 研究了 φ 400 mm TC18 鈦合金棒材組織與力學性能的對應關系。但對于更大規格 TC18 鈦合金棒材的研究鮮有報道，這是由于超大規格棒材的組織均勻性與力學性能穩定性難以控制。

為此，開展了 φ 500 mm TC18鈦合金棒材的研制工作，以期獲得成分、組織、性能滿足航空標準要求的超大規格 TC18 鈦合金棒材，為高強高韌鈦合金大型化發展奠定技術基礎。

1 、實 驗

選用高純海綿鈦和 MoAl、VAl、CrAl、FeAl 中間合金，經 3 次真空自耗電弧熔煉制備規格為 φ 720 mm的 TC18 鈦合金鑄錠。鑄錠質量為 5250 kg，通過金相法測得鑄錠相變點為 870~875 ℃。在鑄錠頭部、中部、尾部 3 個部位取樣，進行化學成分分析。

鑄錠經 80 MN 快鍛機在相變點以上開坯鍛造，對粗大的鑄態組織進行充分破碎，通過多道次的鐓拔鍛造進一步細化晶粒，最終在α＋β相區鍛造成 φ 500 mm TC18鈦合金棒材。TC18 鈦合金棒材單根質量超過 2500 kg，實物如圖 1 所示。

圖 1 超大規格 TC18 鈦合金棒材照片

Fig.1 Photo of oversized TC18 titanium alloy bar

為了對棒材的組織均勻性進行評價，在棒材的頭、尾區域各切取一個 35 mm 厚試樣片進行熱處理，熱處理制度為 835 ℃保溫 2 h，爐冷到 750 ℃，保溫 2 h 后空冷，后續在 615 ℃時效 6 h 后空冷。對熱處理后的試樣片進行低倍組織觀察，在試樣片的邊部、R/2、心部切取15 mm×15 mm×10 mm 的金相試樣，使用 240#、400#、1000#、2000#砂紙依次打磨，拋光后使用配比為 3%HF＋7%HNO 3 ＋90%H 2 O（體積比）的腐蝕液進行蝕刻。采用Olympus GX71 光學顯微鏡（OM）、JSM-IT700HR 掃描電子顯微鏡（SEM）觀察棒材不同部位的微觀組織。

為了對 TC18 鈦合金棒材力學性能的穩定性進行評價，在熱處理后試樣片 R/2 處取樣，根據 GB/T 228.1—2021 標準加工成 φ 5 mm拉伸試樣，采用 ZWICK萬能材料拉伸試驗機進行室溫拉伸性能測試；根據 GB/T 229―2007 標準加工成 10 mm×10 mm×55 mm 沖擊試樣，采用 ZWICK 300J 擺錘沖擊試驗機進行室溫沖擊性能測試；根據 GB/T 4161—2007 標準加工成 62.5 mm×60 mm×25 mm 沖擊試樣，采用 MTS Landmark 電液伺服疲勞試驗機進行室溫斷裂韌性測試。為確保實驗數據準確、可信，每組拉伸試驗取 3 個平行試樣進行測試。

2、 結果與分析

2.1 鑄錠成分均勻性

表 1 為 TC18 鈦合金鑄錠頭部、中部、尾部 3 個部位的化學成分分析結果。由表 1 可以看出，TC18 鈦合金鑄錠的主元素 Al、Mo、V、Cr 和 Fe 的極差分別為 0.03%、0.07%、0.04%、0.02%，雜質元素 O 的極差僅有 0.006%，表明鑄錠整體成分均勻性良好。

2.2 棒材組織

2.2.1 棒材宏觀組織

圖 2 為 TC18鈦合金棒材低倍組織照片。由圖 2 可見，棒材頭、尾低倍組織無明顯分層、裂紋、氣孔、偏析、金屬和非金屬夾雜及其他肉眼可見的冶金缺陷；無肉眼可見的清晰晶粒，低倍組織均勻模糊。

2.2.2 棒材顯微組織

圖 3 為 TC18 鈦合金棒材不同部位的金相照片，圖中白色的物相為 α-Ti 相，黑色的物相為 β-Ti 相。由圖 3可知，TC18 鈦合金棒材組織均由 α 相和 β 相組成，α 相在 β 相中均勻分布，無明顯分層、團聚現象。對比棒材頭部和尾部不同部位的微觀組織，無明顯區別，說明棒材整體的組織均勻性良好。

圖 2 TC18 鈦合金棒材低倍組織照片

Fig.2 Macrostructures of TC18 titanium alloy bar: (a) head; (b) tail

圖 3 TC18 鈦合金棒材不同部位的金相照片

Fig.3 OM images of TC18 titanium alloy bar at different positions: (a) head-edge; (b) head-R/2;(c) head-center; (d) tail-edge; (e) tail-R/2; (f) tail-center

圖4為TC18鈦合金棒材頭部、尾部不同部位的SEM照片。由圖 4 可知，TC18 鈦合金棒材的微觀組織主要由近等軸的初生 α 相、細針狀的次生 α 相以及分布在 α相之間的 β 基體組成，組織分布均勻，無明顯團聚、分層現象。

圖 4 TC18 鈦合金棒材不同部位的 SEM 照片

Fig.4 SEM images of TC18 titanium alloy bar at different positions: (a) head-edge; (b) head-R/2;(c) head-center; (d) tail-edge; (e) tail-R/2; (f) tail-center

為對比 TC18 鈦合金棒材不同部位的微觀組織，使用 Image J 軟件對不同部位初生 α 相的平均晶粒尺寸進行統計，結果如圖 5 所示。由圖 5 可知，TC18 鈦合金棒材頭與尾的邊部、R/2 和心部初生 α 相的晶粒尺寸較為接近，最大為 4.12 μm，最小為 3.94 μm，極差僅為0.18 μm，說明棒材整體的組織均勻性良好。

圖 5 TC18 鈦合金棒材不同部位的初生 α 相晶粒尺寸

Fig.5 Grain size of primary α phase at different positions of TC18 titanium alloy bar

通過 Image J 軟件對棒材不同部位初生 α 相、次生 α和 β 相的體積分數進行統計，結果如圖 6 所示。由圖 6可以看出，TC18 鈦合金棒材頭部和尾部的物相分布接近，極差不超過 3%。對比邊部、R/2 和心部的物相體積分數，初生 α 相、次生 α 相和 β 相的含量相近，無明顯區別，棒材整體的組織均勻性良好。

圖 6 TC18 鈦合金棒材不同部位的物相體積分數

Fig.6 Volume fraction of different phases of TC18 titanium alloy bar at different positions

2.3 棒材力學性能

對 TC18 鈦合金棒材頭部與尾部的邊部、R/2、心部區域的室溫拉伸性能、沖擊性能以及斷裂韌性進行測試，對比不同部位的力學性能，進而對棒材整體的性能穩定性進行分析。圖7為TC18鈦合金棒材的室溫拉伸測試結果。

由圖 7 可見，棒材不同部位的室溫拉伸性能較為接近，抗拉強度最大為 1115 MPa，最小為 1104 MPa，極差為11 MPa；屈服強度最大為 1057 MPa，最小為 1047 MPa，極差為 10 MPa；延伸率最大為 13%，最小為 11%，極差為 2%；斷面收縮率最大為 32%，最小為 26%，極差為 6%，棒材整體的性能穩定性較好。

圖 7 TC18 鈦合金棒材不同部位的室溫拉伸性能

Fig.7 Room temperature tensile properties of TC18 titanium alloy bar at different positions: (a) tensile strength; (b) tensile plasticity

圖 8 為 TC18 鈦合金棒材不同部位的沖擊韌性和斷裂韌性測試結果。由圖 8 可知，棒材頭部和尾部的不同區域韌性測試結果相近，沖擊吸收能量（KU 2 ）的范圍為 35.7~40.9 J/cm²，頭部與尾部偏差僅為 5.2 J/cm²，斷裂韌性值（K IC ）的范圍為 63.3~67.5 MPa·m 1/2 ，頭部與尾部偏差僅為 4.2 MPa·m ^1/2 ，棒材整體的性能穩定性較好。

圖 8 TC18 鈦合金棒材不同部位的沖擊性能和斷裂韌性

Fig.8 Impact and fracture toughness of TC18 titanium alloy bar at different positions 

3 、結 論

(1) TC18 鈦合金鑄錠不同部位的成分均勻性良好，各主元素極差控制在 0.1%以內。

(2) φ 500 mm 超大規格 TC18 鈦合金棒材頭、尾的低倍組織均勻一致，不同部位的微觀組織無明顯差異，說明棒材整體組織均勻性良好。

(3) φ 500 mm 超大規格 TC18 鈦合金棒材不同部位的力學性能接近，無明顯差異，性能穩定性較好。

參考文獻 References

[1] 金和喜, 魏克湘, 李建明, 等. 航空用鈦合金研究進展[J]. 中國有色金屬學報, 2015, 25(2): 280-292.

[2] 劉超, 孔祥吉, 吳勝文, 等. 鈦及鈦合金金屬粉末注射成形技術的研究進展[J]. 粉末冶金技術, 2017, 35(2): 150-158.

[3] 劉全明, 張朝暉, 劉世鋒, 等. 鈦合金在航空航天及武器裝備領域的應用與發展[J]. 鋼鐵研究學報, 2015, 27(3): 1-4.

[4] 趙丹丹. 鈦合金在航空領域的發展與應用[J]. 鑄造, 2014,63(11): 1114-1117.

[5] 辛社偉, 劉向宏, 張思遠, 等. 鈦合金低成本化技術的研究與發展[J]. 稀有金屬材料與工程, 2023, 52(11): 3971-3980.

[6] 官杰, 劉建榮, 雷家峰, 等. TC18 鈦合金的組織和性能與熱處理制度的關系[J]. 材料研究學報, 2009, 23(1): 77-82.

[7] Liu C M, Tian X J, Tang H B, et al. Microstructural characterization of laser melting deposited Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe near β titanium alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2013,572: 17-24.

[8] 張亞峰, 盧曉通, 劉漢源, 等. 淺析航空用高強TA18鈦合金管材組織和性能影響因素[J]. 鈦工業進展, 2023, 40(6):41-48.

[9] Liu S F, Li M Q, Luo J, et al. Deformation behavior in the isothermal compression of Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe alloy[J].Materials Science and Engineering A, 2014, 589: 15-22.

[10] 張靜, 牛偉鵬, 張延珍. TC18 大型自由鍛件準 β 鍛造變形過程控制[J]. 鍛造與沖壓, 2022(5): 20–22＋24.

[11] 熊智豪, 李志尚, 楊平, 等. 大規格 TC18 鈦合金棒材多火次鍛造中 β 相織構演變規律[J]. 鈦工業進展, 2021, 38(6): 6-11.

[12] Klimova M, Zherebtsov S, Salishchev G, et al. Influence of deformation on the Burgers orientation relationship between the α and β phases in Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe[J]. Materials Science and Engineering A, 2015, 645: 292-297.

[13] 辛宏靖, 廖敏茜, 王瀟漢, 等. 初生 α 相含量對 TC18 時效組織及力學性能的影響[J]. 精密成形工程, 2021, 13(3): 143-147.

[14] 郭小汝, 張俊喜, 易湘斌, 等. 次生 α 相含量對 TC18 鈦合金動態壓縮性能和絕熱剪切敏感性的影響[J]. 材料熱處理學報,2020, 41(10): 24-30.

[15] 張方, 王林岐, 趙松. 航空鈦合金鍛造技術的研究進展[J]. 鍛壓技術, 2017, 42(6): 1-7.

[16] 付艷艷, 宋月清, 惠松驍, 等. 航空用鈦合金的研究與應用進展[J]. 稀有金屬, 2006(6): 850-856.

[17] 朱知壽. 我國航空用鈦合金技術研究現狀及發展[J]. 航空材料學報, 2014, 34(4): 44-50.

[18] 顏孟奇, 陳立全, 楊平, 等. 熱變形參數對 TC18 鈦合金 β 相組織及織構演變規律的影響[J]. 金屬學報, 2021, 57(7):880-890.

[19] 喬恩利, 馮永琦, 李渭清, 等. TC18 鈦合金大規格棒材鍛造工藝[J]. 金屬世界, 2013(4): 54-55＋72.

[20] 顧忠明, 張起, 喬恩利, 等. 大規格 TC18 鈦合金棒材組織與力學性能的研究[J]. 湖南有色金屬, 2023, 39(1): 43-45＋79.