发布日期：2025-9-2 15:27:32
钛（Ti）及其合金凭借高比强度、卓越的耐腐蚀性、宽广的使用温度范围以及优良的焊接性等在航空航天、船舶、军事及生物医学等众多高性能和先进的工程领域中得到了广泛应用 [4]。BT22 钛合金，即中国牌号为TC18的钛合金，由苏联于 20 世纪 60 年代开发，其名义成分为 Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe。TC18钛合金作为一种近 β 型钛合金，具备高强高韧、良好的淬透性和高退火强度等特点，使其成为航空领域大型承力构件制造的优选材料之一 [5]。
随着航空工业的迅猛发展，对于钛合金航空承力结构件的要求日益严格，整体化、大型化的结构件成为其未来的发展趋势。这种整体成型的工件不仅能够有效简化生产制造流程，降低生产成本，而且对于保证钛合金构件的结构完整性具有重要意义 [6]。在此背景下，大尺寸原始材料的制造以及对其性能的精准把控面临着更高的要求。
目前，众多学者围绕TC18钛合金的锻造工艺、热变形参数及组织性能等方面进行了广泛研究。乔恩利等 [11] 针对不同锻造工艺对TC18钛合金棒材组织和性能的影响展开了深入探讨；颜孟奇等 [12] 研究了热变形参数对直径 300mm 的TC18钛合金棒材组织及织构演变规律；熊智豪等 [13] 则对胚料 585mmTC18钛合金棒材在不同火次锻造过程中 β 相织构的演变规律进行了分析。然而，大尺寸棒材在生产过程中普遍存在组织均匀性与力学性能稳定性难以精确控制的技术难题，且由于尺寸效应的存在，300/585mm 棒材的研究成果无法通过简单外推直接应用于 400mm 规格棒材的工艺优化。
为此，本文利用扫描电子显微镜观察 400mm 大尺寸TC18钛合金棒材芯表横纵 4 个位置的显微组织，并对其拉伸性能进行测试，同时对断口及断口剖面进行表征分析。通过系统地研究TC18钛合金组织 — 性能 — 断口的匹配关系，旨在为优化大尺寸棒材TC18钛合金的组织和性能提供有价值的参考依据，以满足航空工业对大型化、高性能钛合金承力结构件的需求。
1、实验材料与方法
实验材料为锻造态TC18钛合金棒材，直径为 400mm。棒材经熔炼和多火次锻造而成，TC18钛合金化学成分如表 1 所示，β 转变温度Tβ=(±875+5)℃
通过线切割分别对棒材芯表位置的横纵方向取样（图 1），进行组织观察和拉伸性能测试。边缘试样的取样位置距离棒材的最外表面约 20mm，芯部试样在以棒材几何中心为圆心、半径 80mm 的区域内取样。
拉伸试验参照 GB/T228.1-2021《金属材料拉伸试验 第 1 部分：室温试验方法》在 MTS LANDMARK 万能试验机上进行，拉伸速率为 0.45mm/min。后续对拉伸试样剖面也进行了显微组织观测。试样经砂纸打磨、抛光和腐蚀（腐蚀剂体积比为 HF:HNO₃:H₂O=1:3:6），采用德国蔡司的 ZEISS SURPA 40 型号场发射扫描电子显微镜（SEM）进行显微组织、断口及其剖面的观察。
表 1TC18钛合金化学成分
（Tab.1 Chemical composition of theTC18titanium alloy）
（mass fraction/%）
| 元素 | Al | Mo | V | Cr | Ti |
| 质量分数 | 5.25 | 5.2 | 5.1 | 1.1 | Bal. |
2、实验结果与讨论
2.1 显微组织特点
图 2 显示了边横（ET）、边纵（EL）、中横（CT）和中纵（CL）4 种不同取样位置的 SEM 像。从图中可以看出，不同试样的显微组织十分接近，均由等轴状的初生αp相、细小针状的次生αs相以及 β 基体组成。其中，αp和αs相均匀分布在 β 基体中，从形貌图中没有观察到析出相有明显的形貌和尺寸差异（图 2）。
表 2 列出了各试样相应微观结构的定量特征。对于αp相，相对于取向为横向的试样（ET、CT），取向为纵向（EL、CL）的试样中等轴αp相含量的绝对体积分数均增加约 5 个百分点（达到 30% 左右的体积分数），直径相差不到 0.25μm。对于αs相，边缘试样的长度和宽度均小于芯部试样，分别相差约 100nm 和 21nm。此外，基体中的α（αp、αs）相呈均匀分布。
表 2 微结构定量尺寸参数
（Tab.2 Quantitative parameters of the microstructure）
| 试样 | αp/ % | Average size ofαp/ μm | Average length ofαs/ nm | Average width ofαs/ nm |
| ET | 25.289 | 2.923 | 89.7 | 0.73 |
| EL | 30.168 | 2.826 | 71.8 | 0.71 |
| CT | 25.796 | 2.736 | 98.5 | 0.83 |
| CL | 30.542 | 2.689 | 82.3 | 0.87 |
2.2 拉伸性能
对TC18钛合金 4 种试样进行拉伸性能测试，合金拉伸试验的工程应力 - 应变曲线和相应的拉伸性能如图 3（a~c）和表 3 所示。
ET 试样显示出较高的强度（屈服强度为 1142MPa，抗拉强度为 1230MPa）和略低的塑性（伸长率为 10.2%，断面收缩率为 22±4%），这是因为其细小片层αs相的强化作用。EL 试样强度和塑性分别为：屈服强度 1105MPa，抗拉强度 1191MPa，伸长率 14.9%，断面收缩率 38.4%。可以看出边缘试样塑性 EL 比 ET 高（伸长率相差 4.7%），而 ET 比 EL 试样屈服强度约高 37MPa。
同样，CT 试样比 CL 试样屈服强度高约 15MPa（CT 为 1089±21MPa，CL 为 1075±15MPa），伸长率相差 6.3%（CT 为 10.9±1.5%，CL 为 16.5±1.7%）。值得注意的是，边部试样的强度均比芯部试样高，而纵向试样的塑性整体明显比横向试样高，可能归因于纵向试样等轴αp相含量较高 [15]。
表 3 不同位置TC18钛合金的力学性能
（Tab.3 The mechanical properties of theTC18titanium alloy at different positions）
| 试样 | YS / MPa | UTS / MPa | El / % | RA / % |
| ET | 1142±18 | 1230±21 | 10.2±1.2 | 22±4 |
| EL | 1105±16 | 1191±15 | 14.9±1.4 | 38.4±3.2 |
| CT | 1089±21 | 1179±19 | 10.9±1.5 | 25.3±2.8 |
| CL | 1075±15 | 1159±13 | 16.5±1.7 | 42.1±3.5 |
2.3 断口形貌
根据上述拉伸性能的结果，对 4 种试样断口形貌进行表征，如图 4 所示。其中，a₁、b₁、c₁、d₁为断口低倍宏观形貌；a₂、b₂、c₂、d₂为中心区域（黄框）高倍形貌；a₃、b₃、c₃、d₃为边缘区域（红框）高倍形貌。
从图中可以看出，4 种试样断口均由大量韧窝组成，为典型的韧性断裂。图 4a₁中 ET 试样断口呈现不规则形状，存在明显的高低起伏区域，但其中心区域由大量韧窝组成（图 4a₂），不规则的韧窝分布和应力集中形成的空洞是其塑性差的主要原因 [17]。CT 试样断口有大量韧窝，不均匀变形导致稀疏分布的空洞形成，成为裂纹的萌生点（图 4c₂）。
由图 4b₁和 d₁可知，明显的颈缩和曲折的断口形貌证明 EL 和 CL 试样断裂前经历大量的塑性变形。结合高倍图 4b₃和 d₃观察，可看到 EL 和 CL 试样剪切唇区域剪切拉长的韧窝。图 4b₂和 d₂表明，与 ET 和 CT 试样不同，EL 和 CL 并没有明显成核质点，仅由大量均匀分布的韧窝和其生长、合并的较大凹坑组成，表明其良好的塑性表现归因于均匀的变形。
2.4 剖面组织
如图 5 所示，对强塑性相差较大的 CL 和 ET 试样进行剖面表征，以进一步研究试样的断裂机制及组织对强塑性的影响规律。众所周知，应变失配和应力集中是裂纹扩展的根源，这是由于应变失配和应力集中会驱动空隙或微裂纹的形成。
由图 5a~c 可得出，CL 试样中空洞的形成主要有 3 种：①等轴αp相内部应力集中及载荷作用下滑移带相互交叉而形成 [19-20]；②在αp相与 β 相界面处，由于αp相与 β 相的硬度和变形优先级的差异导致大量位错塞积后应力集中而形成空洞 [7]；③硬质αs相会严重阻碍位错的运动，进而导致位错塞积后应力集中而形成空洞。在变形过程中，裂纹起源于空位并沿着空隙扩大，最终导致拉伸过载发生断裂。
与 CL 试样相比，ET 试样空洞的产生主要是第②和第③种方式（图 5d~f）。此外，TC18钛合金中αp相对应较高的塑性及疲劳性能，αs相一般为细小针状，主要起到析出强化作用 [21-22]。结合表 2，CL 试样的αp相体积分数比 ET 试样高约 5%，但 ET 试样的αs相更为细小。因此，细小硬质的αs相和独特的空洞产生方式使 ET 试样具有更高的强度，更高占比的等轴αp相和综合的空洞产生方式使 CL 试样的强塑性获得优异的匹配。
3、结论
（1）400mmTC18钛合金棒材不同位置试样均由等轴αp相、片层αs相和 β 相组成，等轴αp相和片层αs相均匀分布在 β 相中，两相尺寸相差较小；纵向试样（EL、CL）等轴αp相含量比横向试样（ET、CT）高约 5%，边缘试样（ET、EL）片状αs相的长度和宽度均小于芯部试样（CT、CL）。
（2）棒材边缘试样强度均比芯部试样高，其中 ET 试样强度最高（抗拉强度达到 1230MPa）；纵向试样塑性均比横向试样高，其中 CL 试样伸长率最高（16.5%）；EL 试样的强塑性匹配最好（屈服强度 1105MPa，抗拉强度 1191MPa，伸长率 14.9%）。
（3）所有试样断口均由大量韧窝组成，发生韧性断裂；应力集中导致部分成核质点和微裂纹的存在，造成横向试样（ET、CT）塑性较差；断口剖面中发现等轴αp相内、αp相与 β 相界面处和 β 相内部 3 种空洞形核位点。
参考文献
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（注，原文标题：高强钛合金大尺寸棒材芯表横纵的组织与性能研究）
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