在航空航天领域,材料的性能直接决定着飞行器的可靠性与经济性。钛合金凭借其高比强度、优异的耐蚀性及良好的高温性能,成为航空发动机关键部件的材料。TC17作为一种典型的α+β双相钛合金,其名义成分为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr(质量分数,%),在航空发动机的风扇和压气机盘件制造中占据重要地位。这得益于其良好的综合力学性能,它既能承受高速旋转产生的巨大离心力,又能在复杂的热-力耦合环境下保持结构稳定性。当前,TC17钛合金锻件的制备工艺常规流程为:先在β单相区进行变形,获得β转变组织,随后在α+β两相区开展后续变形及热处理,通过调控组织形貌获取优异的力学性能。然而,随着航空发动机向高推重比、长寿命方向发展,对TC17钛合金的性能也提出了更高要求。现有研究表明,β相区热变形过程中,变形速率和变形温度对合金组织演变的影响机制尚未完全明晰。部分学者发现:不当的热变形参数会导致β晶粒异常长大,进而降低合金的抗疲劳性能;而过高的变形速率则可能引发动态再结晶不充分,造成组织不均匀。尽管已有文献对β相区热变形行为进行了探讨,但针对变形速率和温度协同作用下的组织演变规律研究仍不充分,难以满足高精度盘件制造的工艺优化需求。鉴于TC17钛合金热变形参数对最终锻件力学性能的关键影响,深入研究β相区变形速率和变形温度对其组织形貌及力学性能的影响迫在眉睫。本文通过热压缩实验与分析,揭示热变形参数与组织演变的内在联系,为TC17钛合金在航空发动机关键部件制造中的工艺优化提供数据支撑,助力航空材料加工技术的发展。

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实验

1.1 实验材料

     本实验采用的TC17钛合金棒材化学成分见表1,金相法测得其(α+β)/β相变点为895℃。棒材原始尺寸为Φ55×150mm,其原始显微组织呈现如图1所示的典型双态组织,在β转变组织的基体上分布有互不相连的初生α相,其尺寸为3μm~6μm,总含量约为25%。

1.2 实验方案

     对TC17钛合金棒材沿轴向进行镦粗热变形,其中β相区锻造温度分别选取910℃、925℃和940℃, 变形量为20%,变形速率分别为2.0mm/s、1.0mm/s 和0.5mm/s;而α+β相区的锻造温度统一为860℃, 变形量为60%,变形速率为1.0mm/s。试验分组见表2。锻后空冷,再进行820℃×4h/水淬+630℃×8h/空冷的热处理。

1.3 取样与检测

     在热变形工艺完成后,针对获得的圆饼状试样,选取中心部位作为特征分析区域。该区域因热变形过程中经历的应力-应变状态具有典型代表性,对其开展研究可有效反映整体热变形效果。采用高精度线切割设备,沿圆饼对称轴线方向切割出垂直剖面作为金相观察面,此操作须严格保证切割路径的垂直度与对称性, 以规避因取样偏差导致的组织分析误差,金相取样部位精准对应图2中标注的取样位置1。金相腐蚀环节,配置腐蚀液时,精准控制各组分体积比例为VH2O∶ VHNO3 ∶VHF=10∶3∶1。试样腐蚀完成后,使用徕卡光学显微镜进行组织观察,捕捉钛合金在热变形后α 相、β相及可能存在的相变产物的形态、尺寸与分布特征,为组织演变规律研究提供可靠的微观形貌依据。

     对于合金拉伸性能测试,在如图2所示的取样位置2进行试样截取。考虑到材料性能的离散性,遵循力学性能测试的重复性原则,截取拉伸试样2根。拉伸试验严格按照GB/T228.1-2021《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》执行,在兹韦克万能试验机上完成测试,最终以2根试样测试结果的平均值作为该热变形工艺下合金拉伸性能的表征数据。

2.1 变形速率对合金显微组织的影响

    钛合金的热变形过程伴随着复杂的组织演变,这一过程受变形速率、温度等多因素耦合作用。TC17 钛合金作为典型的α+β双相钛合金,其组织对变形参数高度敏感。图3为相同变形温度(910℃)、不同变形速率下TC17钛合金的显微组织,热变形成形过程中,合金经历了动态回复、再结晶及相变重构,初始由等轴α相和β相转变组织构成的双态组织消失,逐步转变为网篮组织。这种组织转变本质上是热变形能量输入驱动下,α相发生动态再结晶、β相发生相变重排的结果。

      在变形速率为0.5mm/s~2.0mm/s范围内,不同变形速率对金相组织影响呈现出一定共性。热成形后合金晶界清晰可辨,这是由于该速率区间内,热变形的热力参数未引发晶界的严重模糊或异常迁移。经显微尺度测量统计,平均晶粒尺寸约为350μm,表明此速率区间内,变形速率对晶粒长大或细化的驱动作用相对均衡。从微观组织看,晶粒内部片状α相相互交叉形成网篮状架构,同时存在较多块状α相。这类块状α相的形成与热变形过程中α相的溶解-析出动力学、变形储能释放路径相关,其尺寸与分布会影响合金后续力学性能,如强度与塑性的匹配关系。

2.2 变形温度对合金显微组织的影响

     温度作为热变形的核心参数,通过改变原子扩散激活能与相变驱动力,深刻影响钛合金组织演变。图4为相同变形速率(1mm/s)、不同变形温度下TC17 钛合金的显微组织,合金组织中β晶粒内部呈现由针状α相编织而成的网篮结构,伴随区域性块状α相形成。晶界α相因具有优先形核和长大的热力学优势, 与晶内α相相比更为粗大,易形成块状聚集,这与文献中作者研究钛合金晶界α相演化规律时提出的“晶界优先形核机制”一致。随着变形温度从910℃升高到940℃,合金中块状α相的比例有所下降。温度升高加速了原子扩散, 促使块状α相发生溶解、破碎及再结晶,使得其在组织中的占比降低。这一现象符合钛合金热变形高温下扩散作用促使组织均匀化的规律,高温为α相的形态调控提供了更充足的热力学条件,推动组织向更均匀的网篮结构演化。

2.3 变形参数对合金力学性能的影响

     热变形参数通过调控组织形貌,最终作用于合金力学性能。表3给出了不同热变形参数下TC17钛合金的常温拉伸性能,对比原始双态组织,完成热压缩变形获得网篮组织的TC17钛合金强度和塑性均略微下降。这是由于网篮组织中片状α相的定向分布,虽提升了一定力学稳定性,但相较于双态组织中等轴α相对变形的协调作用,其对塑性的贡献有所降低,与郭萍等研究钛合金组织与性能关联时揭示的“双态组织塑性优势机制”相符。

      变形速率在0.5mm/s~2.0mm/s区间内,对合金强度和塑性的影响不明显。这是因为该速率区间内组织演变差异小,热力参数未引发显著的组织与性能响应。而随着β相区变形温度升高,合金强度略微上升。这是由于温度升高促进了合金元素的固溶强化效应,且网篮组织形态因温度调控更趋合理(如块状α相减少),使得位错运动阻力增大,最终表现为强度提升。

    (1)锻造温度为910℃,当变形速率在0.5mm/s~2.0mm/s范围内变化,β相区的热变形速率的改变未对TC17钛合金的显微组织的形貌产生显著影响,合金组织中形成大量的块状α相,且分布不均匀。

   (2)随着变形温度从910℃升高到940℃,TC17 钛合金组织中块状α相含量有所降低,但依然无法完全消除。

   (3)β相区的变形速率对TC17钛合金的强度和塑性影响不明显,随着β相区变形温度从910 ℃升高到940℃,合金强度略微升高。

 在航空航天领域,材料的性能直接决定着飞行器的可靠性与经济性。钛合金凭借其高比强度、优异的耐蚀性及良好的高温性能,成为航空发动机关键部件的材料。TC17作为一种典型的α+β双相钛合金,其名义成分为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr(质量分数,%),在航空发动机的风扇和压气机盘件制造中占据重要地位。这得益于其良好的综合力学性能,它既能承受高速旋转产生的巨大离心力,又能在复杂的热-力耦合环境下保持结构稳定性。当前,TC17钛合金锻件的制备工艺常规流程为:先在β单相区进行变形,获得β转变组织,随后在α+β两相区开展后续变形及热处理,通过调控组织形貌获取优异的力学性能。然而,随着航空发动机向高推重比、长寿命方向发展,对TC17钛合金的性能也提出了更高要求。现有研究表明,β相区热变形过程中,变形速率和变形温度对合金组织演变的影响机制尚未完全明晰。部分学者发现:不当的热变形参数会导致β晶粒异常长大,进而降低合金的抗疲劳性能;而过高的变形速率则可能引发动态再结晶不充分,造成组织不均匀。尽管已有文献对β相区热变形行为进行了探讨,但针对变形速率和温度协同作用下的组织演变规律研究仍不充分,难以满足高精度盘件制造的工艺优化需求。鉴于TC17钛合金热变形参数对最终锻件力学性能的关键影响,深入研究β相区变形速率和变形温度对其组织形貌及力学性能的影响迫在眉睫。本文通过热压缩实验与分析,揭示热变形参数与组织演变的内在联系,为TC17钛合金在航空发动机关键部件制造中的工艺优化提供数据支撑,助力航空材料加工技术的发展。