鈦及鈦合金具有密度低、比強度高、耐蝕性好等優(yōu)良性能，在航空航天、汽車、生物醫(yī)療等領(lǐng)域展現(xiàn)出極強的發(fā)展?jié)摿1-5]。TC18鈦合金是一種典型的高強高韌鈦合金，名義成分為Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，大量用作飛機起落架、飛機承重梁等大型承力結(jié)構(gòu)件[6-14]。

隨著航空工業(yè)的發(fā)展，新型飛機對承力結(jié)構(gòu)件的要求逐漸向整體化、大型化方向發(fā)展，對原材料的尺寸要求也進一步提高[15-17]。顏孟奇等人[18]探究了熱處理參數(shù)對φ300mmTC18鈦合金棒材組織的影響；喬恩利等人[19]對比了3種不同鍛造工藝對φ400mmTC18鈦合金棒材組織與性能的影響，進而得出最優(yōu)鍛造工藝；顧忠明等人[20]研究了φ400mmTC18鈦合金棒材組織與力學(xué)性能的對應(yīng)關(guān)系。但對于更大規(guī)格TC18鈦合金棒材的研究鮮有報道，這是由于超大規(guī)格棒材的組織均勻性與力學(xué)性能穩(wěn)定性難以控制。

為此，開展了φ500mmTC18鈦合金棒材的研制工作，以期獲得成分、組織、性能滿足航空標準要求的超大規(guī)格TC18鈦合金棒材，為高強高韌鈦合金大型化發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1、實驗

選用高純海綿鈦和MoAl、VAl、CrAl、FeAl中間合金，經(jīng)3次真空自耗電弧熔煉制備規(guī)格為φ720mm的TC18鈦合金鑄錠。鑄錠質(zhì)量為5250kg，通過金相法測得鑄錠相變點為870~875℃。在鑄錠頭部、中部、尾部3個部位取樣，進行化學(xué)成分分析。

鑄錠經(jīng)80MN快鍛機在相變點以上開坯鍛造，對粗大的鑄態(tài)組織進行充分破碎，通過多道次的鐓拔鍛造進一步細化晶粒，最終在α＋β相區(qū)鍛造成φ500mmTC18鈦合金棒材。TC18鈦合金棒材單根質(zhì)量超過2500kg，實物如圖1所示。

為了對棒材的組織均勻性進行評價，在棒材的頭、尾區(qū)域各切取一個35mm厚試樣片進行熱處理，熱處理制度為835℃保溫2h，爐冷到750℃，保溫2h后空冷，后續(xù)在615℃時效6h后空冷。對熱處理后的試樣片進行低倍組織觀察，在試樣片的邊部、R/2、心部切取15mm×15mm×10mm的金相試樣，使用240#、400#、1000#、2000#砂紙依次打磨，拋光后使用配比為3%HF＋7%HNO₃＋90%H₂O（體積比）的腐蝕液進行蝕刻。采用OlympusGX71光學(xué)顯微鏡（OM）、JSM-IT700HR掃描電子顯微鏡（SEM）觀察棒材不同部位的微觀組織。

為了對TC18鈦合金棒材力學(xué)性能的穩(wěn)定性進行評價，在熱處理后試樣片R/2處取樣，根據(jù)GB/T228.1—2021標準加工成φ5mm拉伸試樣，采用ZWICK萬能材料拉伸試驗機進行室溫拉伸性能測試；根據(jù)GB/T229―2007標準加工成10mm×10mm×55mm沖擊試樣，采用ZWICK300J擺錘沖擊試驗機進行室溫沖擊性能測試；根據(jù)GB/T4161—2007標準加工成62.5mm×60mm×25mm沖擊試樣，采用MTSLandmark電液伺服疲勞試驗機進行室溫斷裂韌性測試。為確保實驗數(shù)據(jù)準確、可信，每組拉伸試驗取3個平行試樣進行測試。

2、結(jié)果與分析

2.1鑄錠成分均勻性

表1為TC18鈦合金鑄錠頭部、中部、尾部3個部位的化學(xué)成分分析結(jié)果。由表1可以看出，TC18鈦合金鑄錠的主元素Al、Mo、V、Cr和Fe的極差分別為0.03%、0.07%、0.04%、0.02%，雜質(zhì)元素O的極差僅有0.006%，表明鑄錠整體成分均勻性良好。

2.2棒材組織

2.2.1棒材宏觀組織

圖2為TC18鈦合金棒材低倍組織照片。由圖2可見，棒材頭、尾低倍組織無明顯分層、裂紋、氣孔、偏析、金屬和非金屬夾雜及其他肉眼可見的冶金缺陷；無肉眼可見的清晰晶粒，低倍組織均勻模糊。

2.2.2棒材顯微組織

圖3為TC18鈦合金棒材不同部位的金相照片，圖中白色的物相為α-Ti相，黑色的物相為β-Ti相。由圖3可知，TC18鈦合金棒材組織均由α相和β相組成，α相在β相中均勻分布，無明顯分層、團聚現(xiàn)象。對比棒材頭部和尾部不同部位的微觀組織，無明顯區(qū)別，說明棒材整體的組織均勻性良好。

圖4為TC18鈦合金棒材頭部、尾部不同部位的SEM照片。由圖4可知，TC18鈦合金棒材的微觀組織主要由近等軸的初生α相、細針狀的次生α相以及分布在α相之間的β基體組成，組織分布均勻，無明顯團聚、分層現(xiàn)象。

為對比TC18鈦合金棒材不同部位的微觀組織，使用ImageJ軟件對不同部位初生α相的平均晶粒尺寸進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，TC18鈦合金棒材頭與尾的邊部、R/2和心部初生α相的晶粒尺寸較為接近，最大為4.12μm，最小為3.94μm，極差僅為0.18μm，說明棒材整體的組織均勻性良好。

通過ImageJ軟件對棒材不同部位初生α相、次生α和β相的體積分數(shù)進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，TC18鈦合金棒材頭部和尾部的物相分布接近，極差不超過3%。對比邊部、R/2和心部的物相體積分數(shù)，初生α相、次生α相和β相的含量相近，無明顯區(qū)別，棒材整體的組織均勻性良好。

2.3棒材力學(xué)性能

對TC18鈦合金棒材頭部與尾部的邊部、R/2、心部區(qū)域的室溫拉伸性能、沖擊性能以及斷裂韌性進行測試，對比不同部位的力學(xué)性能，進而對棒材整體的性能穩(wěn)定性進行分析。圖7為TC18鈦合金棒材的室溫拉伸測試結(jié)果。由圖7可見，棒材不同部位的室溫拉伸性能較為接近，抗拉強度最大為1115MPa，最小為1104MPa，極差為11MPa；屈服強度最大為1057MPa，最小為1047MPa，極差為10MPa；延伸率最大為13%，最小為11%，極差為2%；斷面收縮率最大為32%，最小為26%，極差為6%，棒材整體的性能穩(wěn)定性較好。

圖8為TC18鈦合金棒材不同部位的沖擊韌性和斷裂韌性測試結(jié)果。由圖8可知，棒材頭部和尾部的不同區(qū)域韌性測試結(jié)果相近，沖擊吸收能量（KU2）的范圍為35.7~40.9J/cm²，頭部與尾部偏差僅為5.2J/cm²，斷裂韌性值（KIC）的范圍為63.3~67.5MPa·m^1/2，頭部與尾部偏差僅為4.2MPa·m1/2，棒材整體的性能穩(wěn)定性較好。

3、結(jié)論

(1)TC18鈦合金鑄錠不同部位的成分均勻性良好，各主元素極差控制在0.1%以內(nèi)。

(2)φ500mm超大規(guī)格TC18鈦合金棒材頭、尾的低倍組織均勻一致，不同部位的微觀組織無明顯差異，說明棒材整體組織均勻性良好。

(3)φ500mm超大規(guī)格TC18鈦合金棒材不同部位的力學(xué)性能接近，無明顯差異，性能穩(wěn)定性較好。

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