随着航空航天工业的急剧发展，减轻金属结构资料的沉量变得愈发关键[1-3]。钛合金因其拥有较高的比强度、良好的耐侵蚀机能及耐高温机能，以及无磁性、可焊接蹬着良个性，成为钻研人员关注的沉点[4-5]。依照室温下的晶体结构，钛合金可分为α型、β型和α+β型。凭据β相的不变性和合金化特点，β型钛合金可进一步细分为近β型、亚稳β型和不变β型钛合金。近型和亚稳β型钛合金拥有优异的组织调控能力，可通过热处置在较宽领域内调整力学机能，被宽泛用作高端结构资料[6-9]。

Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe（Ti-55511）是一种典型的近β型钛合金，在国内其商标为TC18，拥有高强高韧的特点，是高强钛合金工程化利用的主干合金，已被宽泛利用于飞机的重要承力结构中，如机身主框架和起落架等[10-12]。Ti-55511合金通常由双相结构组成，蕴含六方密排α相和体心立方β相[13]。Ti-55511合金的力学机能重要由微观组织决定，蕴含作为重要强化相α相的尺寸、状态和散布，而α相的空间结构对称性较差，通；岬贾潞辖鸬难诱剐越系蚚14]。合金的变形过程重要依赖于α相和β相中位错的活动，同时α相中形成的变形孪晶也对部门应变协调起到沉要作用[15]。

热变形和热处置是钛合金组织调控的两种有效方式[5]。在铸态钛合金中，α相通常呈片层状，但在热变形和热处置过程中，α相能够等轴化并细化[16]。Ivasishin等人[17]钻研了Ti-55511合金的微观结构和力学机能，发现通过细化α相，极限抗拉强度可超过1500MPa，但塑性急剧降落，断后伸长率仅为1.73%。Li等人[11]钻研了Ti-55511合金在分歧变形量下的热轧力学行为，了局显示，随着变形量的增长，合金强度提高，但塑性降低。Li等人[9]钻研发现，晶界处陆续α相向不陆续α相的转变可能有效提高Ti-55511合金的强度和塑性。

Ahmed等人[10]钻研了Ti-55511合金在650℃时效处置时的力学机能。了局批注，随着时效功夫的增长，时效α相增多，导致合金强度显著提高但塑性变差。An等人[18]钻研了三沉热处置过程中的微观组织演变，提出最佳热处置工艺为830℃/0.5h/FC+750℃/2h/AC+450℃/8h/AC，在此前提下合金的抗拉强度可达1132MPa，断后伸长率为15.9%。三沉热处置过程中的第一步为均匀化处置，第二步旨在调整α相以提高塑性，最后的时效工艺则进一步析出时效α相以加强强度。这些钻研重要集中在通过热处置调控组织状态以实现较好的强韧性匹配，却较少关注热变形对组织与机能的影响。

铸造是出产钛合金棒材的常用步骤[19]。传统钛合金的铸造通常在单相区进行，而后在两相区反复变形实现α相的细化[19-21]。本钻研沉点关注铸造变形温度以及热处置造度，探索分歧变形温度及热处置造度对TC18钛合金微观组织和力学机能的影响，发展相变点以下和以上变形结合分歧温度固溶处置的4组正交尝试，对比分析其组织机能差距，系统地探求工艺、微观结构与力学机能之间的关系，以期为TC18钛合金加工工艺的造订提供凭据。

1、尝试

尝试资料为西部超导资料科技股份有限公司出产的TC18钛合金铸锭，其相变点约为870℃，化学成分如表1所示，显微组织如图1所示。从图1a铸锭的金相照片能够看出，经过侵蚀后，晶粒清澈可见，其尺寸可达毫米级别。从图1b扫描电镜（SEM）照片能够显著观察到三叉晶界，晶界左近有大量的魏氏体片层α相；从图1c扫描电镜照片能够观察到晶内大量的细针状α相，形成类似网篮组织的结构。从图1d透射电镜（TEM）照片能够观察到大量的细针状α片层，其选区电子衍射显示基体β相和针状α相出现出经典的Burgers位向关系：{110}β//(0001)α；[1-11]β//{12-10}α。

TC18钛合金铸锭进行开坯铸造，加工成尺寸为φ200mm×500mm棒材，而后别离在两相区（830℃）和单相区（900℃）进行铸造，拔长变形量约为20%，得到热变状态的初始样品，再锯切成φ180mm×50mm的制品试样。别离在两相区和单相区对试样进行热处置，具体工艺为：①830℃/2h炉冷至750℃/2h/AC+610℃/6h/AC；②900℃/2h炉冷至750℃/2h/AC+610℃/6h/AC。为探索分歧铸造变形温度和热处置工艺对TC18钛合金组织和力学机能的影响，对分歧工艺路线对应的试样进行编号，如表2所示。

选取ZwickZ330全能力学试验机进行室温拉伸试验，拉伸试样为圆棒状，中央标距的直径为5mm，长度为24mm。选取JBW-300B冲击试验机进行冲击试验，依照GB/T229—2020尺度要求造备U型缺口试样。为保障测试数据正确靠得住，每个造度测3个试样。选取KMX-2000D光学显微镜（OM）、FEIHelios NanolabG3UC扫描电子显微镜（SEM）和TitanG2Cs-corrected透射电镜（TEM）表征试样的组织结构。

2、了局与会商

2.1力学机能

图2是TC18钛合金经过分歧温度铸造变形和热处置后的室温拉伸和冲击机能。从图2a能够看出，4#试样的抗拉强度最高，达到（1248±8.4）MPa，2#、3#试样的抗拉强度相近，别离为（1160±7.6）MPa和（1155±7.3）MPa，1#试样的抗拉强度最低，为（1093±8.3）MPa。屈服强度的变动法规与抗拉强度近似，4#试样的屈服强度最高，达到（1154±7.1）MPa，2#、3#试样的屈服强度相近，别离为（1073±4.7）MPa和（1067±6.3）MPa，1#试样的屈服强度最低，为（1037±5.2）MPa。从图2b能够看出，1#试样的塑性最好，断后伸长率达到16%，2#、3#试样的断后伸长率相近，别离为10%、8.5%，4#试样的断后伸长率最低，为4%。断面收缩率的变动法规和断后伸长率法规类似，1#~4#试样的断面收缩率别离为45%、20%、13%和6%。从图2c能够看出，两相区热处置后，试样的冲击韧性较好，1#、3#试样的冲击韧性别离为（32.9±2.1）J/cm²和（36.7±3.2）J/cm²。单相区热处置后，试样的冲击韧性较差，2#、4#试样的冲击韧性别离为（29.5±1.9）J/cm²和（25.9±2.7）J/cm²。

2.2微观组织

图3是TC18钛合金经分歧温度铸造变形和热处置后的金相照片。从图3a、3b能够看出，1#试样在放

大倍数为50倍时，无法观察到显著的晶界，500倍时出现出典型的双态组织，α相球化水平优良，等轴α相的尺寸为3~5μm，占比约为25.8%。从图3c、3d能够看出，2#试样在放大倍数为50倍时，可观察到齐全陆续的晶界，存在较多的晶界α片层，故晶界α相含量较大，由放大500倍的金相照片可知，粗壮的α片层厚度可达2μm，因而合金塑性较差。从图3e、3f能够看出，3#试样在放大倍数为50倍时，固然存在齐全陆续的晶界，但并不显著，晶界左近偶然能观察到α片层，500倍的金相照片显示初生α相为短棒状，长径比约为6.2。从图3g、3h能够看出，4#试样的组织与2#试样类似，有较多晶界α片层和陆续的晶界，因而合金的塑性也较差。

图4为TC18钛合金经分歧温度铸造变形和热处置后的SEM照片。从图4a能够看出，1#试样等轴α相和时效产生的大量针状α相弥散散布在β转变组织中。从图4b能够看出，2#试样出现出显著的魏氏组织，初生α相的片层厚度约为2μm，长径比约为9.6。从图4c能够看出，3#试样初生α相呈短棒状，为典型的网篮组织。从图4d能够看出，4#试样组织与2#试样高度类似，其初生α相为片层状，长径比约为10.54。

1#~4#试样组织中均有时效析出的α片层，尺寸在纳米级别，有较大的强化作用。

2.3断口分析与变形机造

图5为经分歧温度铸造变形和热处置后的TC18钛合金拉伸试样的断口描摹。从图5a、5b、5e、5f能够看出，1#和3#试样的拉伸断口存在大量的球状韧窝，解理台阶较少，批注试样产生了显著的塑性断裂。

该断裂行为是一种以微孔荟萃为主、沿晶断裂机造为辅的混合断裂，出现出典型的塑性断裂特点，批注1#和3#试样拥有较高的韧性。从图5c、5d、5g、5h能够看出，2#和4#试样的拉伸断口上除了韧窝表，还存在解理台阶，出现出韧脆混合断裂的特点。

图6是1#和3#试样拉伸变形后的TEM照片。从图6a能够看出，1#试样拉伸变形后，等轴初生α相内存在平面滑移的位错，其电子衍射了局显示这些位错在{101-0}柱面和{101-1}准滑移。对于钛合金，柱面{101-0}a位错在职何前提下都是最容易激活的滑移系，由于其临界剪切应力最低。但柱面a位错只能协调a方向上的变形，当必要协调c方向上的变形时，{101-1}准c+a位错被激活。从图6b能够看出，3#试样拉伸变形后，初生α相内部仅有一个方向的位错滑移，电子衍射显示该滑移方向为{101-0}柱面滑移。由于1#试样的组织以等轴状初生α相为主，而3#试样组织以短棒状初生α相为主，等轴状初生α相由于长径比幼，能够激活多个滑移系的位错，因而在塑性变形时可能协调多个方向的变形，这也就诠氏缢1#试样的断后伸长率为16%，而3#试样的断后伸长率仅有8.5%。

2.4微观组织与力学机能关系

凭据组织观察与力学机能测试了局，TC18钛合金经分歧温度铸造变形和热处置后，得到的组织和机能均分歧。经两相区铸造和两相区热处置后的1#试样为双态组织，阐发为3~5μm的等轴初生α相均匀散布在β基体中。该组织状态下TC18钛合金的断后伸长率较大，抗拉强度和冲击韧性略低，这是由于变形后初生α相的等轴化水平高，协调变形能力较强，在变形中可能引发多个柱面a和c+a位错等滑移系，因而塑性好，但其抵抗变形的能力相对较低，故拉伸断口出现出大量韧窝。经单相区铸造和两相区热处置后的3#试样为网篮组织，初生α相出现短棒状，轴径比力幼，初生α相以网篮状散布在β基体中，因而出现出较好的冲击韧性和抗拉强度，这是由于短棒α相的片层厚度幼于等轴α相的直径，故障位错活动的能力较强。不论是单相区还是两相区铸造的2#、4#试样，经单相区热处置后，得到的组织均为典型的魏氏组织，晶界左近存在较厚的片层，α相的长宽比相对较大，出现出较高的强度和较低的断后伸长率，冲击韧性也较低，拉伸断口出现出混合断裂特点，蕴含韧窝和解理台阶。综合考量，TC18钛合金经单相区铸造和两相区热处置后，综合机能最优。

3、结论

(1)TC18钛合金经两相区铸造和两相区热处置后，得到典型的双态组织，其断后伸长率较高，强度和冲击韧性相对较低。

(2)TC18钛合金经单相区铸造和两相区热处置后，得到典型的网篮组织，其初生α相呈短棒状，长径比力幼，拥有较高的强度和冲击韧性，兼具优良的塑性，综合力学机能最优。

(3)TC18钛合金不论是在两相区还是在单相区铸造，经过单相区热处置后均得到魏氏组织，α相的长径比力大。

(4)TC18钛合金试样经两相区热处置后，拉伸断口出现出显著的塑性断裂特点；经单相区热处置后，拉伸断口存在韧窝和解理台阶描摹，出现出混合断裂特点。

(5)TC18钛合金组织中的等轴α相在变形时可能激活多个滑移系，合金出现出较好的塑性，而片层和短棒状α相只能激活单一的滑移系，因而合金的塑性较差。

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