引言
TB6钛合金因拥有较高的比强度、优异的委顿机能以及较强的抗应力侵蚀能力，在航空航天领域得到宽泛利用［1－4］ 。TB6作为近β型钛合金，淬透性很高，淬透层深度可达50mm以上［5－6］，这意味着TB6钛合金能够造成尺寸较大的锻件 。但是较大尺寸迪胙合金棒材变形时，容易出现部门过热，导致内部组织出现不均匀景象 。这重要是由于变形过程中的塑性变形功除了幼部门以弹性变形能的大局存储在变形体中以表，绝大部门都转换成热能［7］，而钛合金传热系数较幼，导致钛合金内部区域有较大温升［8－9］ 。棒材内部的温升使得心部区域的现实变形温度高于工艺温度，甚至可能超过相变点，内部就会天生非等轴的微观组织，从而导致棒材横截面组织与机能的不均匀 。
国内表学者对若何削减钛合金组织与机能的不均匀性做了好多钻研，提出了诸如对变形模具加热、降低变形速度、选取近等温铸造［10－12］等改进措施，但是关于过热区对大规格钛合金棒材组织与机能影响的钻研较少 。随着TB6钛合金作为结构件在直升机、客机、战斗机等领域的利用越来越宽泛，对大规格TB6钛合金棒材的需要越来越火急 。因而，本钻研对现实出产过程中内部出现过热的大尺寸TB6钛合金棒材进行取样钻研，通过组织观察与力学机能测试，调查过热区对大尺寸TB6钛合金棒材组织与机能的影响，为大尺寸TB6钛合金棒材的研发与利用提供参考 。
1、尝试
尝试资料取自北京航空资料钻研院钛合金钻研室熔炼的φ330mm的TB6钛合金铸锭 。铸锭以0级海绵钛、中央合金为原料，通过3次真空自耗熔炼而成，其化学成分见1 。铸锭经过开坯、改锻，最终获得横截面尺寸为210mm×210mm的TB6钛合金方形棒材 。对棒材进行755℃×2h/WQ+515℃×8h/AC热处置 。
取样示意图如图1所示 。在横向截面上从边缘到心部顺次截取横向拉伸试样(标距尺寸为5mm×25mm)，凭据GB/T228.1—2010《金属资料室温拉伸试验步骤》，选取5887-E2-G1全能资料试验机进行力学拉伸测试;在边缘与心部门别取宽40mm、厚10mm的委顿裂纹扩大C(T)试样，凭据GB/T6398—2000《金属资料委顿裂纹扩大速度试验步骤》，选取MTS370-50KN电液伺服委顿试验机进行委顿裂纹扩大速度测试;在边缘与心部门别取宽40mm、厚20mm的断裂韧度C(T)试样，凭据GB/T4161—2007《金属资料平面应变断裂韧度KⅠC试验步骤》，选取MTS370-250KN电液伺服委顿试验机进行平面断裂韧度测试 。凭据GB/T231.1—2009《金属布氏硬度试验》，选取BＲIN400D硬度试验机从边缘到心部距离10mm顺次丈量布氏硬度 。在横截面上距离5mm顺次取10mm×10mm×15mm金相试样，选取DM3000M金相显微镜观察显微组织 。在棒材中央部位取低倍试样，观察横截面低倍组织 。
图 1 取样地位示意图
Fig. 1 Sketch map of test sample positions
2、了局与分析
2.1低倍组织
图2为TB6钛合金棒材横截面低倍组织 。从图中能够看出，截面整体上晶粒较细，无偏析、同化、裂纹、缩孔气孔等冶金缺点，也没有显著的条纹、亮点，但在心部出现一个稍微发亮的过热区域，大体呈正方形 。过热区面积约占横截面总面积的18.4% 。
图 2 TB6 钛合金棒材低倍照片
Fig. 2 Macrograph of the TB6 titanium alloy bar
2.2显微组织
TB6钛合金棒材正常区域内，分歧部位(以距表表的深度H暗示)的金相照片如图3所示 Ｄ芄豢闯，距TB6钛合金棒材表表深度60mm以内的区域，显微组织由β基体和球状初生α相组成，晶界α相被充分破碎，属于正常显微组织 。距棒材表表深度为50～60mm的区域，α相球化水平更高，α相尺寸显著增大(图3c) 。TB6钛合金棒材过热分辨歧部位的显微组织如图4所示 。在深度为65mm以上的心部区域，α相呈长条、集束状交错分列，为针状网篮组织 。心部区域温度较高，冷却速度较慢，产生的过冷度较幼，故α相再结晶的晶核只能在晶界上形成 。与此同时心部变形量较大，晶粒与晶界充分破碎，可供α相形核的地位及数量较多，这就导致天生的α彼此订交错，天生针状网篮组织，最终形成如图1中所示亮白的过热区 。在深度为65～75mm的区域，其显微组织中仍可见零散散布的颗粒状α相，镶嵌在网篮组织傍边 。深度大于80mm的心部区域，则齐全没有颗粒状α相，并且网篮组织更为致密 。
图 3 TB6 钛合金棒材正常区域分歧部位的金相照片: (a)H =20 ～30 mm; (b)H =35 ～45 mm; (c)H =50 ～60 mm
Fig. 3 Metallographs of TB6 titanium bar at different positions in normal zone: (a)H =20 ～30 mm; (b)H =35 ～45 mm;(c)H =50 ～60 mm
TB6钛合金棒材通常必要经过固溶与时效处置后使用，因合金所含β不变元素较多，β相晶格转变阻力较大，所以固溶时会天生过鼓和不不变β相，该β相在时效过程中会逐步分化成弥散散布的α强化相与残存β相 。美国AMS4986尺度中Ti-1023合金(对应国内商标TB6)的淬透层深度≥50.8mm(2.0inches)［5］，文件［6］中尺寸为165mm×179mm的TB6钛合金方棒淬透层深度能够达到67.5mm 。根图3与图4，尺寸为210mm×210mm的TB6钛合金棒材的淬透层深度约为60mm Ｄ芄豢闯，TB6钛合金棒材尺寸增大，淬透层深度并不愿定增大 。
图 4 TB6 钛合金棒材过热分辨歧部位的金相照片: (a、d)H =65 ～75 mm; (b、e)H =80 ～90 mm; (c、f)H =95 ～105 mm
Fig. 4 Metallographs of TB6 titanium bar at different positions in over-heated zone: (a，d)H =65 ～75 mm;(b，e)H =80 ～90 mm; (c，f)H =95 ～105 mm
这重要是由于棒材尺寸的增大使得心部热量散发更慢，固溶时心部区域不能获得足够的冷却速度，在临界冷却速度以下的区域就不能天生亚稳β相，而是直接天生α+β相 。
2.3力学机能
TB6钛合金棒材分歧部位的拉伸机能和布氏硬度如图5所示 Ｄ芄豢闯，从边缘到心部，TB6钛合金强度呈降落趋向，塑性呈上升趋向，其中抗拉强度最大降低22.9%，屈服强度最大降低28.5% 。从边缘到心部，布氏硬度呈降落趋向，但变动不大，只降低4.2% 。单边深度60mm以内的区域为正常等轴组织，这部门TB6钛合金因地位较浅，经过755℃固溶处置时能获得较大的冷却速度而淬透，得到不不变β相，经515℃时效后获得β基体和弥散强化的α相，从而获得较高的抗拉、屈服强杜纂硬度 。深度大于65mm的心部区域，其组织为网篮组织，属于没有淬透的区域，不能获得不不变β相，在时效过程中不能获得强化的α相，故抗拉、屈服强度以及布氏硬度显著降低 。但是心部的网篮组织拥有优良的塑性，其延长率与断面收缩率相对正常区域较高 。
图 5 TB6 钛合金棒材分歧部位的拉伸机能(a、b)和硬度(c)
Fig. 5 Mechanical properties (a，b) and hardness (c) of TB6 titanium alloy bar in different positions
表2为TB6钛合金棒材分歧部位的平面应变断裂韧度，图6为TB6钛合金棒材分歧部位的委顿裂纹扩大速度 Ｄ芄豢闯，心部过热区拥有较大的平面应变断裂韧度以及较幼的委顿裂纹扩大速度 。这重要是由于心部为网篮组织，裂纹扩大蹊径较为崎岖，增长了裂纹总长度，所以亏损更多的能量，同时裂纹分叉多，分散了裂纹尖端的应力场，在粉碎过程中吸收的能量大，故断裂韧度更大，裂纹扩散速度 。13－14］ 。等轴组织的裂纹扩散蹊径平直，分枝少，在粉碎过程中吸收的能量少，故断裂韧度低，裂纹扩散速度大 。
图 6 TB6 钛合金棒材分歧部位的委顿裂纹扩大速度
Fig. 6 Fatigue crack growth rate of TB6 titanium alloy bar in different zone
2.4过热区对组织与力学机能均匀性的影响
过热区的存在使得大尺寸TB6钛合金棒材的横截面组织散布极不均匀 。TB6钛合金棒材经过铸造与热处置后，靠近边缘的区域得到球化较好的等轴组织，拥有优异的综合力学机能;心部区域为针状网篮组织，强杜纂硬度较低 。GJB1538A—2008尺度［15］中要求，较大尺寸TB6钛合金棒材固溶时效后的横向机能Ｒm≥1105MPa，ＲP0.2≥1000MPa，A≥6%，Z≥10% 。由图5可知，距表表深度为63～147mm的过热区的力学机能已经不满足该尺度要求 。
过热区对力学机能均匀性的影响能够选取均匀值(Ave)、尺度差(σ)与极差(Ｒ)来进行衡量 。对TB6钛合金棒材分歧部位拉伸机能的均匀性进行推算，了局见表3 Ｄ芄豢闯，正常区域的力学机能数据均匀性较好，过热区的存在使得总体区域的数据均匀值、尺度差与极差变动较大 。Ｒm的均匀值降低了7.8%，尺度差、极差别离增长了147.3%、109.8%;A的均匀值增长了21.1%，尺度差、极差别离增长了29.4%、68.8% 。心部过热区因未能获得等轴组织而成为一个机能幽微区域，在肯定水平上会降低棒材以及后续所造锻件的安全系数，形成安全隐患，必须预防产生 。因而亟待钻研合用于大尺寸TB6钛合金棒材的铸造与热处置工艺 。
3、结论
(1)TB6钛合金棒材深度为60mm以内的区域为正常的球状等轴组织，深度为65mm以上的心部过热区为针状网篮组织 。过热区重要是由于心部区域在固溶时不能获得足够的冷却速度，在低于临界冷却速度时没有天生亚稳β相，而直接天生α+β相造成的 。
(2)TB6钛合金棒材横截面上过热区面积占比约18.4%，相较正常等轴组织，其抗拉强度最大降低22.9%，屈服强度最大降低28.5%，布氏硬度降低4.2%，但是拥有较好的塑性、较高的平面应变断裂韧杜纂较强的抗委顿裂纹扩大能力 。
(3)过热区的存在增大了棒材横截面组织与机能的不均匀性，降低了TB6钛合金棒材及后续所造锻件的安全系数，必须予以预防 。
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无有关信息