本钻研针对传统工艺路线出产的TC21钛合金锻件显微组织不梦想的问题，提出了一种新型加工工艺路线：铸造(Tβ-30℃)+铸造(Tβ+15℃)+铸造(Tβ-30℃)+双沉退火。该步骤通过特定的温度区间进行多阶段变形，最终获得拥有藐幼β晶粒、破碎晶界以及短棒状片层α相的微观结构。此微观结构显著提升了合金的强度水平，同时维持了高塑性和断裂韧性，满足了航空航天TC21钛合金锻件的高机能要求。通过3次验证性试验，进一步证实了新型铸造工艺的有效性，所造备的TC21钛合金锻件在抗拉强度、屈服强度、延长率等方面均较好。

TC21钛合金因其低密度、比强度大、耐蚀性好以及优良的强度和塑性匹配度在航空航天、国防工业等领域备受关注。该合金Mo当量高达5.6，使得TC21钛合金在高温环境下也占有较高的强度和韧性，成为造作航空发起机关键部件的首要选材。然而，只管TC21钛合金拥有诸多优势，传统铸造工艺路线在出产过程中却面对着诸多挑战。传统的铸造步骤通常蕴含加热、变形和冷却三个重要步骤，但因TC21钛合金复杂的相变行为以及对温度和变形量的高度敏感性，传统工艺往往难以精确节造这些参数，导致最终产品的显微组织不梦想，具体阐发为β晶粒尺寸较大、α片层散布不均匀等问题。

这些问题不仅影响了资料的微观结构，也限度了其力学机能的阐发，如抗拉强度、屈服强度、断裂韧性和塑性等。国内表的钻研普遍指出，传统铸造工艺出产的TC21钛合金锻件难以满足新型飞机锻件尺度对综合机能的严格要求，这已成为造约该合金进一步利用的关键瓶颈。只管TC21钛合金的开发和利用已罕见十年的汗青，但在钻营更高强度和更好塑性的平衡时依然存在诸多问题。分歧国度和地域的钻研团队采取了多种战术，例如调整化学成分、优化热处置工艺、引入先进的加工技术等，然而这些步骤成效较差、成本高昂，难以大规模推广利用。

因而，本钻研旨在深刻探求TC21钛合金铸造过程中的微观结构演变机造及其对力学机能的影响，通过系统的试验设计和理论分析，在现有铸造工艺的基础上提出了新型工艺路线。进展可能为未来TC21钛合金的设计和利用提供越发坚实的理论基础和技术保险，从而推进航空工业及其他高科技领域的持续发展。

1、试验资料及步骤

TC21钛合金重要由Ti-Al-V系组成，增长了适量的Mo和其他微量元素以改善其机械机能和热不变性。本试验所用原资料为TC21钛合金棒材，相变点为965℃，名义成分如表1所示。棒材通过造坯后在400MN模锻液压机上进行模锻，终锻温度为820℃，单火次变形量节造在5%~30%内。

表1TC21钛合金重要化学成分(质量分数，%)

铸造的技术基础是反复加热和镦拔，通过合金组织静态和动态再结晶，细化晶粒并调控合金的组织状态，而影响铸造工艺的最沉要参数之一就是铸造温度，单相区铸造时重要产生β晶粒的动态再结晶，双相区铸造时重要产生α相的球化。目前，国内TC21钛合金锻件的传统工艺路线为准β铸造+双沉退火。因加热铸造过程在β相区进行，最终锻件容易形成的组织特点为：β晶粒过度粗壮、拥有较齐全晶界，且晶界α相镶边严沉，晶内片层状α相长宽比大于15，导致锻件机能出现强度较弱、塑性较低的景象。

针对于传统铸造工艺存在的问题，本钻研提出了一种新型铸造工艺：铸造(Tβ-30℃)+铸造(Tβ+15℃)+铸造(Tβ-30℃)，并使用TC21钛合金棒材进行了屡次试验。试验设计如表2所示，A为传统的TC21钛合金铸造工艺；B和C为新型铸造工艺，相较于传统工艺增添了铸造火次（双相区铸造），变量为每火次变形量，冷却方式为空冷。试验实现后对TC21钛合金锻件的显微组织及力学机能进行了系统钻研。

表2新型铸造工艺试验规划

注：双沉退火工艺参数为：920℃保温2h，空冷；595℃保温4h，空冷。

2、了局与分析

图1为TC21钛合金经上述工艺铸造后的锻件力学机能。由图1(a)可知，抗拉强度和屈服强度的变动趋向一致，传统铸造工艺处置后的试样强度最低，当在传统铸造工艺基础上增长了第三火后，强度改善显著，这意味着在准β锻后增长双相区铸造有利于提升锻件强度，双相区铸造可能调节α相状态散布，有利于提升组织均匀性，预防β晶粒粗化，同时，结合B、C的强度测试了局能够确定三火铸造的变形量和锻件强度呈正向线性趋向。

变形量是节造合金组织细化的关键成分之一，变形量的增长提高了再结晶驱动力，DRX过程愈加美满从而促使了晶粒细化，单相区在铸造后残留的粗壮β晶界和晶界α相齐全破碎，为冷却过程中析出片层α相提供更多的形核位点，随后热处置过程中这些片层α相进一步成长分列，最终形成交错分列的网篮组织，保障了合金强度。

图1(b)中展示了TC21钛合金经铸造后的断后延长率和断面收缩率，整体了局较好，对比各试验规划所得锻件的塑性测试了局可知，新型铸造工艺有利于塑性提升。随着双相区铸造的变形量增长，塑性也随之提高，这与其再结晶水平亲昵有关。

综合对比锻件的强度和塑性测试了局可知，TC21钛合金经新型铸造工艺铸造后，锻件的强塑性匹配了局最佳，并且在第三火变形量为25%时的强度最佳。为了明确其显微组织与力学机能的关系，对锻件进行了金相显微组织观察。

图2为TC21钛合金经上述工艺铸造后的锻件显微组织，针状α相互订交错，α片层宽度在3~5μm之间，长宽比<15，无显著β晶界存在。显微组织决定着力学机能，对于双相钛合金来说，由于α相含量较高，调节合金显微组织的主题在于细化α相。现有钻研批注，只能通过相变点以下大塑性变形能力使片状α相向球状α相高效转变。因而，TC21钛合金在双相区铸造有利于调节α相散布，降低α相的长宽比。而TC21钛合金在β相区铸造的过程是原始晶界破碎和α相析出动态再结晶的过程，在准β温度进行加热，原始β晶粒未齐全长大，晶界不陆续。

在铸造过程中，β晶粒几近齐全破碎，温降过程中析出的α相经过动态再结晶形成编织优良的网篮组织（图2），提升合金强度。而后，该组织再经过α+β相区变形，网篮组织中片层α相经过幼变形后，部门再次产活泼态再结晶，形成短棒状片层α相，提升合金塑性，同时调节整体α相状态散布。TC21钛合金经新型铸造工艺处置后，随着双相区铸造变形量的提升，片层状α相球化水平提高，长宽比值较幼，这与图1(b)中的塑性了局相符，并且无粗壮的球状α相存在，组织均匀性有所提升，如图2(c)所示。当TC21钛合金在单相区铸造并空冷后，形成的组织肯定是片层组织，残留的初生α相也趋于片层状，而后经双相区铸造+双沉退火后，锻件的显微组织中出现了尺寸差距较大的球状α相，如图2(b)所示，这意味着双相区铸造时的变形量较幼，不及以为再结晶提供足够的驱动力。因而，在保障较幼变形抗力的前提下尽可能地提高变形量有利于形成不含球状α相网篮组织，获得优异的力学机能。

结论

TC21钛合金经新型铸造工艺铸造后，强度提升成效显著且塑性优异。TC21钛合金经铸造(Tβ-30℃)+铸造(Tβ+15℃)+铸造(Tβ-30℃)+双沉退火，形成了均匀散布的网篮组织，其片层α相长宽比力低，无显著β晶界以及晶界α相镶边景象存在，此时锻件强塑性匹配较好，综合机能最优。

双相区铸造的变形量提升有利于单相区铸造后的粗壮晶界以及晶界α相进一步破碎，为后续形成片层α相提供更多的形核位点，使得锻件最终的显微组织出现为细密片层α订交错分列的网篮组织。因而，在保障较幼变形抗力的前提下，需尽可能地提高变形量，调节其显微组织状态以获得优异的综合力学机能。

（注，原文标题：新型铸造工艺对TC21钛合金显微组织和力学机能的影响）