钛合金因其高比强度、抗腐蚀性能好、绿色环保等优点被广泛应用于航空航天、医疗等领域。高温钛合金可以有效提高发动机的推重比，提高航空航天器的飞行性能，因而高温钛合金是钛合金研究领域的重点之一[1-2]。 TA12A 钛合金是我国中科：金属所自行设计的一种近α 型的高温钛合金。 与 TA12 型合金相比，TA12A 型合金中去除了对材料焊接性能影响较大的 Nd 元素，添加了热强元素 Nb 和 Ta，很大程度上提高了材料的焊接性能，TA12A 合金在高温下仍具有良好的力学性能和抗蠕变性能，主要用于制造航空发动机叶片、压气机盘、鼓筒等[3]。

目前对 TA12A 钛合金的研究相对较少，朱雪峰[4]的研究表明对 TA12A 合金在 1000℃进行热处理、冷却方式为空冷时，片层α 相较多，初生α 晶粒和片层α 束域尺寸较小，合金的综合性能最佳，这为TA12A 钛合金的热处理性能研究提供了一定的参考。为探索适用于大型 TA12A 钛合金件的热处理工艺，本文研究了双重退火工艺对 TA12A 钛合金组织和力学性能的影响规律，为扩大 TA12A 钛合金在大型结构件中的应用提供一定的理论指导。

1、试验方法

试验所用材料为西部超导材料科技股份有限公司提供的 φ400 的 TA12A 钛合金圆棒锻件，其名义化学成分如表 1 所示，相变点为 1020℃。 棒材首先在 16MN 快 锻机上锻造成为 240mm×220mm×120mm 坯料，变形量控制在约 51%，再分别按以下三种方案进行热处理：（1） 试样在 995℃退火保温120min，然后在 600℃退火保温 360min；（2）试样在1000℃退火保温 120min，然后在 600℃退火保温360min；（3）试样在 1005℃退火保温 120min，然后在600℃退火保温 360min。 一次退火的主要作用为改 变组织、调整性能。 二次退火不改变组织，主要作用是消除应力。

试样在热处理后按照 GB/T228 加工成 φ5mm×25mm 的标准拉伸试样，然后在 InStron8802 拉伸试验机上进行室温拉伸试验。 冲击试验在 JBN-300B冲击试验机上进行试验，试验按照 GB/T229-2007叶金属材料夏比摆锤冲击试验方法曳执行，试样加工成 10mm×10mm×55mm 的 U 型缺口试样。 断裂韧度在 MTS810 型试验机上进行。 金相试样在抛光后，用HF+HNO3+H2O（体积比为 1：3：10）的混合腐蚀剂腐蚀后，在 DMI5000MLeica 光学显微镜下观察显微组织。

2、试验结果分析

2.1 不同双重退火工艺对合金组织的影响

图 1 和图 2 所示分别为 TA12A 钛合金在方案（1）~方案（3）退火处理后的典型组织 200 倍和 500倍金相照片。 可以看出，TA12A 钛合金退火后组织都为初生α 相+β 转变组织组成的双态组织，在 β转变组织中还分布有片状次生α 相。 随着一次退火温度的逐渐提高，合金中的初生α 相含量不断减少，但总量均未超过 50%，形貌也未发生明显改变。

次生α 相的含量逐渐增加，次生α 相的厚度逐渐增大。这种现象产生的原因是由于 TA12A 钛合金在保温过程中，α 相会向 β 相转变[5]。 随着退火温度的提高，转变成为 β 相的初生α 相越多，β 相晶粒尺寸也越来越大。

2.2 不同双重退火工艺对合金力学性能的影响

表 2 所示为双重退火后 TA12A 钛合金锻件的室温力学性能。 从表 2 可以看出，当一次退火温度在995℃~1005℃时，TA12A 钛合金的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、断面收缩率、冲击吸收功等室温力学性能均无明显变化。 随着一次退火温度的提高，片状次生α 相逐渐增多，对基体有一定的强化作用。 但同时片状次生α 相的厚度也不断增大，使 得强化作用减弱。 二者叠加最终使合金的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、断面收缩率、冲击吸收功等指标变化不大。

但是随着一次退火温度的提高，TA12A 钛合金锻件的断裂韧度有一定的提升。 众所周知，显微组织特别是α 相的形状、分布和数量对断裂韧性有很大的影响。 有研究表明片状组织具有比等轴状组织更大的断裂韧度[6]。 在常温时，相同强度下显微组织对断裂韧性的影响大于杂质含量的影响[7]。 裂纹随片状α 束的去向不断改变扩展方向，导致路径曲折

分枝多是片状组织断裂韧性更佳的原因[8]。 随着一次退火温度的提高，初生α 相含量逐渐降低，β 转变组织和次生片状α 相逐渐增多，因而断裂韧性逐渐提高。

随着航空航天技术的不断发展，飞机结构设计的理论与思想也不断更新，从静强度、动强度、疲劳强度及断裂强度的进化，而损伤容限设计目前称为飞机结构设计的重要规范。 断裂韧度可用来表征材料抵抗裂纹扩展的能力，为材料的损伤容限设计提供参考依据。

3、 结论

（1）TA12A 钛合金在 995~1005℃退火+600℃双重退火后组织为初生α 相+β 相，在 β 相中还存在次生α 相。 随着一次退火温度的提高，初生α 相数量不断减少，次生α 相的数量逐渐增加，厚度不断增大，同时 β 相晶粒尺寸不断长大。

（2）TA12A 钛合金在 995~1005℃退火+600℃双重退火后抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、断面收缩率、冲击吸收功等室温力学性能无明显变化，这可能与组织变化有关。 片状次生α 相数量增加所带来的强化效果与 β 晶粒尺寸长大和次生α 相片层增厚所带来的弱化效果叠加。 但随着一次退火温度的提高，TA12A 钛合金锻件的断裂韧度有一定的提 升。初生α 相含量逐渐降低，β 转变组织和次生片状α 相逐渐增多，导致裂纹分枝密度和裂纹扩展路径曲折程度提高使断裂韧性逐渐提高。

[参考文献]

[1]曹京霞，弭光宝，蔡建明等.高温钛合金制造技术研究进展[J].钛工业进展，2018（1）：1-8.

[2]蔡建明，曹春晓.新一代 600℃高温钛合金材料的合金设计及应用展望[J].航空材料学报，2014（4）：27-36.

[3]王清江，刘建荣，杨锐.高温钛合金的现状与前景[J].航空材料学报，2014（34）：1-26.[4]朱雪峰，彭晖，樊凯，丁永峰.热处理对 TA12A 钛合金微观

组织和力学性能的影响[J].钛工业进展，2018（4）：26-29.[5]陈飞，周瑜，王柯.TA12 钛合金热处理过程中等轴和片层α相演变行为研究[J].钛工业进展，2021（1）：1-5.

[6]牟炳林.钛合金的断裂韧性[J].钒钛，1994（2）：53-56.

[7]栾佰峰，薛姣姣，柴林江等.冷却速率及杂质对锆合金 β寅α转变组织的影响[J].稀有金属材料与工程，2013（12）：2636-2640.

[8]庞韵虹，周义刚，俞汉青.TC11 钛合金盘的显微组织断裂形态及断裂韧性间的关系 [J]，金属科学与工艺，1991（2）：73-77.

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