发布日期：2025-11-19 10:15:10
TB6钛合金(国外牌号Ti-1023)是近β型钛合金，具有优良的强韧性匹配、高淬透性、耐腐蚀等特点，作为主承力构件在国内外先进飞机上大量应用［1-6］。美国ＲAH-66直升机上TB6钛合金用量占整机用量的12.7%，主要用于制造起落架斜支柱、各类接头、传动结构的支杆、套筒等。在英、法、德等国，TB6钛合金被用于NH-90直升机旋翼系统的桨毂中央件和连接件，波音777的起落架载重梁。由于存在大量β稳定元素，TB6钛合金在熔炼过程中容易造成慢共析元素Fe的富集，从而降低α含量形成“β斑”［7-11］。“β斑”属于冶金缺陷，其存在会造成合金塑性及疲劳性能的下降［12-13］，如超过规定尺寸则会影响产品交付。前期研究表明［14］，在TB6钛合金锻造前增加均匀化退火工序可有效改善铸锭中Fe元素的晶内偏析，降低“β斑”出现的概率。然而，由于均匀化退火的温度高、保温时间长，β相晶粒长大不可避免。
本研究采用金相显微镜和电子背散射衍射(EBSD)技术，系统观察了TB6钛合金铸锭在均匀化退火以及不同锻造火次后的宏观与微观组织，以及β相的取向特征。重点分析了大尺寸β晶粒在反复热变形过程中的组织演变规律及典型取向特征，旨在优化经均匀化退火的TB6钛合金铸锭棒材锻造工艺的设计，从而提升TB6钛合金产品的组织均匀性及质量稳定性。
1、试验材料与方法
试验材料为3t级TB6钛合金铸锭，其化学成分(质量分数，%)为Ti、10V、2Fe、3Al、0.1O，相变温度(β→α)为803℃。采用真空退火炉将铸锭在1200℃保温48h均匀化退火后，经过9火次的反复镦拔锻造，制备成φ320mm规格的棒材。其中，第1、2和第4火次在单相区镦拔锻造，镦粗变形量约为55%;第3和第5～8火次在两相区镦拔锻造，镦粗变形量约为50%;第9火次在两相区拔长锻造。
从均匀化退火后的铸锭、第4和第9火次棒坯的端面分别切取厚20mm的试样，经60%HNO3+40%HF抛光液抛光后，再经13%HNO3+16%HF腐蚀液腐蚀后，使用数码相机拍摄其低倍组织。随后在试样大尺寸晶粒区域及正常晶粒区域取样，进行组织、织构观察及分析。组织观察使用金相显微镜，织构检测使用配备EBSD探头的Ultra55和JSM7900F场发射扫描电镜(SEM);取向分析使用TSLOIM和AztecCrystal取向分析软件，并基于平行长度方向(LD)绘制晶粒取向分布图和反极图。
2、试验结果
2.1均匀化退火态组织及织构
经均匀化退火后，TB6钛合金铸锭中的β相晶粒发生了异常长大，尤其是在靠近横截面心部的位置，β晶粒长大速度更快，晶粒尺寸在20～80mm之间。而正常晶粒区域与未均匀化退火的铸锭相同，晶粒尺寸均在5mm以下(见图1(a))。对比图1(b，c)发现，无论是异常晶粒区域还是正常晶粒区域，其内部均由相互交织的片层状α相和残余β相组成，呈典型的魏氏组织特征。然而，正常晶粒区域内的α相片层明显更细。对检测的异常晶粒区域的6个大尺寸β晶粒(如图1(a)中黑色立方体所示)的取向分析表明，其取向差异较大，说明晶粒长大过程中没有取向择优的现象;此外，正常晶粒区域的β相同样也都是非典型取向，不存在明显的织构，见图1(d～f)。
2.2第4火次锻造后棒坯的织构及取向
第4火次为单相区锻造，主要目的是减小并均匀化棒坯中原始β晶粒的尺寸。由图2(a)可见，棒坯的低倍组织整体变细，并显示出逐渐模糊化的趋势。然而仍可观察到尺寸较大的长条状清晰β晶粒(见箭头所指)，说明经过单相区-两相区-单相区变形后，组织仍具有一定的遗传性。第4火次锻造完成时，棒坯温度位于相变点以下，显微组织呈现出典型的网篮组织特征，如图2(b，c)所示，其中片层α相较均匀化退火后的组织明显缩短。对比异常大晶粒区域，正常晶粒区域内片层α相更为短小，且排列不再规律，说明正常晶粒区域内的变形更加充分。
图3为第4火次锻造后，棒坯异常晶粒区域和正常晶粒区域中β相取向分布图和反极图。异常晶粒区域内的β相取向较为单一，几乎完全由一个大尺寸＜111＞取向的β相晶粒占据，仅存在少量尺寸较小的＜001＞和＜110＞取向的β晶粒(见图3(a))。相比之下，正常晶粒区域内的β相取向较为多样，主要由＜001＞和＜112＞取向的β晶粒组成，同时β晶粒的尺寸分布也相对均匀(见图3(b))，这表明正常晶粒区域内的变形更加均匀，β相组织得到了更充分的细化和调整。
2.3第9火次锻造后棒坯的织构及取向
5～9火次为两相区锻造，其主要目的是实现α相的等轴化。在第9火次锻造完成后，棒坯的低倍组织基本呈现模糊化趋势，但仍可观察到部分长条状的清晰晶粒(见图4(a)中箭头所指)。根据GJB2218A—2018《航空用钛及钛合金棒材和锻坯规范》进行低倍组织评定，该棒坯被判定为不合格。由图4(b，c)可见，棒坯呈现典型的双态组织，但α相的等轴化效果不理想，特别是异常晶粒区域内，片层状α相的比例更高。这表明尽管经过多火次的锻造，异常晶粒区域内的组织演变仍然受限，导致α相难以充分等轴化。
图5为第9火次锻造后，棒坯异常晶粒区域和正常晶粒区域中β相取向分布图及反极图。在异常晶粒区域内，仅观察到1个接近＜111＞取向的β晶粒，表明该区域内的晶粒取向高度集中(见图5(a))。相比之下，正常晶粒区域内的β相晶粒尺寸较小且取向较为丰富，主要表现为较弱的＜110＞和＜111＞取向(见图5(b))。这表明在正常晶粒区域内，锻造过程使β相组织得到了更充分的均匀化，显现出多样化的取向特征和较好的细化效果。
3、讨论
上述试验结果表明，TB6钛合金铸锭经均匀化退火后虽然能改善组织均匀性并避免“β斑”形成，但是在退火中也存在晶粒异常长大，形成大尺寸β晶粒的风险。通过对比图2(a)和图4(a)，这些大尺寸的β晶粒在宏观形貌上相似，并且在反复的两相区锻造过程中也不易消除。原始β晶粒越大，晶粒内的协调变形能力越强，在同等变形量下，α相越不容易实现等轴化。对比图2(b，c)、图4(b，c)可以发现，原始β晶粒越大，其内部片层α相的数量越多、长度越长。图6为未进行均匀化退火并采用同样锻造工艺制备的TB6钛合金φ320mm规格棒材横截面D/4(D为直径)位置的显微组织，α相几乎全部等轴化，仅存在少量片层状的α相，说明当原始β晶粒尺寸不均匀时，由于变形的不均匀，α相整体的等轴化受到影响。与均匀退火后铸锭中较为丰富的β相取向不同(见图1)，棒坯异常晶粒区域与正常晶粒区域β相的织构差异较大，这也是热变形不均导致的。近β钛合金在单相区和两相区热变形时，变形量越高，＜001＞取向的β相比例越高、＜111＞取向的β相比例越小［15］。通过对比图3(a，b)和5(a，b)可以看到，原始β晶粒越大，＜111＞取向β相的比例越高，说明其实际变形量越小，织构的继承性也越强。由于β晶粒主要依赖单相区变形减小晶粒尺寸来实现均匀化，因此，在后续的工艺设计中，针对均匀化退火的TB6钛合金铸锭，可以考虑增加单相区锻造的火次，以保证其均匀性。
4、结论
1)TB6钛合金铸锭在1200℃保温48h均匀化退火过程中易出现晶粒异常长大现象，β晶粒尺寸可达
20mm以上，这些大尺寸β晶粒在后续反复镦拔锻造中具有组织和取向的继承性。
2)TB6钛合金铸锭均匀化退火过程中形成的大尺寸β晶粒，由于其在锻造过程中变形协调能力强，因此碎化过程缓慢，且其内部α相的等轴化程度低。
3)TB6钛合金铸锭均匀化退火后形成的大尺寸β晶粒取向较为丰富、无取向择优现象，但在反复镦拔锻造后，β晶粒主要呈＜111＞取向。
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（注，原文标题：TB6钛合金铸锭均匀化退火及锻造过程中的组织演变）
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