引言

钛合金可分为α型、β型和α＋β型［1］。与其他两种类型的合金相比，α＋β型钛合金的性能更好，在航空航天等领域应用广泛［2-3］。TC11钛合金的名义成分（质量分数）为Ti-Al（5.8~7.0）-Mo（2.8～3.8）-Zr（0.8~2.0）-Si（0.2~0.35），是典型的α＋β型钛合金［4］，其铝当量高达7.8。TC11钛合金的热加工性能良好，热强性好、室温强度高，被用于制作航空发动机的鼓筒、叶片和压气机盘等关键零件［5-6］。

热处理可强化钛合金，通过改变钛合金的显微组织来改变力学性能。钛合金的热处理工艺包括退火、固溶处理和时效等，退火是最常用的热处理工艺包括再结晶退火等［7-9］。本文对TC11钛合金进行了不同温度的退火处理，可为正确制定钛合金的热处理工艺提供理论依据。

1、试验材料和方法

试验材料为直径140mm的TC11钛合金棒材。

采用Ａｖｉｏ500电感耦合等离子体发射光谱仪测定的化学成分（质量分数，％）为6.65Al、3.13Mo、1.54Zr、0.302Si、0.204Ｏ和0.195Fe。

根据已测定的相变温度997℃，确定退火温度分别为940℃、960℃、980℃和1000℃，保温5ｈ空冷，退火温度处于两相区和单相区。加热设备为Ｈｂ-2Ｘ箱式电阻炉。退火后对合金进行金相检验和按ＧＢ／Ｔ228.1—2010《金属材料－拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行室温拉伸试验。采用ＺＥＩＳＳＳｕｐｒａ扫描电子显微镜检验拉伸断口的微观形貌。

2、结果和分析

2.1　显微组织

图1为经不同退火温度后TC11钛合金的显微组织。图1表明，退火温度明显影响合金的显微组织。940℃退火的合金组织主要由初生α相（位置Ａ）和β转变组织（位置Ｂ）构成，有大量细小针状α相均匀分布在β转变组织中；初生α相的形貌不同，主要呈粗大的棒状，并有少量块状。960℃退火的合金，组织中初生α相减少，而β转变组织增多。980℃退火的合金，组织中初生α相明显减少，主要呈细小条状，还有少量等轴状。1000℃退火的合金，组织中初生α相完全消失，有粗大的β相，析出了更多的细小针状α相，组织类型为细片状β转变组织。以上结果说明，随着退火温度的升高，合金组织最明显的变化为初生α相减少甚至消失，析出的针状α相增多，组织类型从双态转变为细片状β转变组织。

退火加热时，合金中α相晶格结构会发生变化，从密排六方结构转变为体心立方结构（β相）［10］。随着退火温度的继续升高，更多的α相发生转变，即导致α相减少、β相增多。在相变温度以上加热时，α相全部转变为β相，故随着退火温度的升高，α相减少并消失。在退火后的冷却过程中，合金中的β相转变为α相。在冷却过程中，β相转变形成的α相来不及长大，最终在晶界或β相内形成排列有序的细小针状α相。在单相区温度（1000℃）退火后合金中形成粗大β相主要是因为晶粒长大的动力学过程被激活，晶界迁移加快，导致晶粒长大［11］。

2.2　拉伸性能

图2为不同温度退火的TC11钛合金的拉伸性能。图2表明，随着退火温度的升高，合金的强度提高，抗拉强度从1090MPa提高至1288MPa，屈服强度从900MPa提高至1087MPa，但塑性降低，断后伸长率从10％降低到了2％，断面收缩率从32％降低到了5％。

在室温拉伸试验过程中，试样变形的均匀性、滑移带间距及变形程度均受初生α相的数量和尺寸的影响，初生α相的晶体取向无序，具有较高的滑移面密度和多方向滑移，可以同时激活多个滑移系［10］，因而能有效降低局部应力集中，减缓晶体的损伤和断裂，初生α相越多，合金的塑性越好。由图1可知，随着退火温度的升高，合金中初生α相减少并消失，故合金塑性降低。

除初生α相外，随着退火温度的升高，合金中细小针状α相增多，导致合金中形成大量的相界面，能阻碍位错和晶界移动，提高强度。相界面能吸收和减小应力，提高合金的强度。合金中初生α相对合金的塑性有利，而针状α相则对合金的强度有利。

2.3　拉伸断口形貌

图3为不同温度退火的TC11钛合金拉伸断口的微观形貌。图3表明，在两相区温度退火的合金拉伸断口有大量韧窝（位置Ｃ），且随着退火温度的升高，断口的撕裂棱越来越明显（位置Ｄ）且数量增多。在单相区温度退火的合金，断口发生明显变化，呈明显的岩石状，仅有很少量的浅韧窝。

韧窝数量越多，表示合金的塑性越好，韧窝的形成表明是塑性变形，说明合金在拉伸过程中发生了塑性变形而不是脆性断裂。此外，韧窝能吸收和分散应力，减轻应力集中，从而延缓合金断裂，不会发生立刻断裂［12］。因此TC11合金在两相区温度退火后的塑性较在单相区温度退火的好，这与图2结果相吻合。

撕裂棱是合金在断裂过程中形成的，其数量增多表示合金的强度提高。

3、结论

（1）经不同温度退火的TC11钛合金的显微组织不同。随着退火温度的升高，合金中初生α相减少甚至消失，而析出的针状α相增多，合金从双态组织转变为细片状β转变组织。

（2）随着退火温度的升高，合金抗拉强度从1090MPa提高至1288MPa，屈服强度从900MPa提高至1087MPa，断后伸长率从10％降低至2％，断面收缩率从32％降低至5％。

（3）在两相区温度退火的合金，拉伸断口以韧窝为主，随着退火温度的升高，断口中撕裂棱增多；在单相区温度退火的合金拉伸断口主要呈岩石状，仅有少量韧窝。

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