TA15鈦合金中板組織與力學(xué)性能研究

TA15（Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr）鈦合金屬于高Al當量的近α型鈦合金，其既有α型鈦合金良好的熱強性和可焊性，又有接近于α-β型鈦合金的工藝塑性，長時間工作溫度可達500℃，在航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。TA15鈦合金半成品主要有板材、棒材、鍛件、型材、鑄件等，其中板材占有重要地位。

1、實驗

實驗材料為采用真空自耗電弧爐經(jīng)3次熔煉制備的TA15鈦合金鑄錠，金相法測定相變點Tβ為996℃。鑄錠開坯后，采用萬噸油壓機鍛造加工成240mm厚鍛坯，其主要化學(xué)成分見表1。

采用3種工藝在1200mm四輥可逆式熱軋機上軋制鍛坯，得到厚度為10.0mm的成品TA15鈦合金中板。一火開坯加熱溫度為Tβ–（20~50）℃，其他火次加熱溫度為Tβ–（30~60）℃，各火次變形量為40%~70%。3種軋制工藝如下：工藝Ⅰ為一次換向+四火次軋制；工藝Ⅱ為二次換向+四火次軋制；工藝Ⅲ為一次換向+三火次大變形軋制。通過對比工藝Ⅰ與工藝Ⅱ，分析換向次數(shù)對TA15鈦合金中板顯微組織和力學(xué)性能的影響；通過對比工藝Ⅰ與工藝Ⅲ，分析變形量對TA15鈦合金中板顯微組織和力學(xué)性能的影響。

2、結(jié)果與分析

2.1顯微組織

3種TA15鈦合金中板顯微組織如圖1所示。從圖1可以看出，3種TA15鈦合金中板顯微組織均為α+β兩相區(qū)加工組織，無連續(xù)平直的晶界α相，原始β晶界被充分破碎，符合GJB2505A—2008《航空用鈦及鈦合金板材和帶材規(guī)范》中對TA15鈦合金板材顯微組織的要求。相比之下，樣品B初生α等軸化程度較好，樣品A次之，樣品C出現(xiàn)大量拉長的初生α相。可見，增加換向次數(shù)有利于提高TA15鈦合金中板初生α相等軸化程度，而大變形軋制使得初生α相拉長程度加劇。

采用Image-ProPlus6.0軟件對3種TA15鈦合金中板初生α相尺寸進行測量統(tǒng)計，結(jié)果見表2。從表2可以看出，樣品B的初生α相最為細小，尺寸為6.7μm；樣品C次之，尺寸為7.9μm；而樣品A的初生α相最為粗大，尺寸為9.4μm。這表明增加換向次數(shù)或者采用大變形軋制均有助于細化組織，且前者效果更為顯著。

2.2室溫力學(xué)性能

3種TA15鈦合金中板的室溫拉伸性能如圖2所示。從圖2可以看出，3種TA15鈦合金中板橫向抗拉強度、屈服強度和延伸率均高于縱向，結(jié)果也均符合GJB2505A—2008標準中對TA15鈦合金板材抗拉強度（930~1130MPa）、屈服強度（≥855MPa）和延伸率（≥8%）的要求，且富余量較高。其中，樣品A和樣品B的橫縱向抗拉強度和屈服強度均相差不大，而樣品C的橫向抗拉強度和屈服強度較低，縱向抗拉強度和屈服強度明顯增加。3種TA15鈦合金中板的橫縱向延伸率差別不大。通過計算可知，樣品A、樣品B和樣品C的橫縱向抗拉強度的差值分別為53、72和7MPa，橫縱向屈服強度的差值分別為66、77和19MPa，可見樣品C的橫縱向強度差異最小。這表明換向次數(shù)對TA15鈦合金中板室溫拉伸性能影響不大，而大變形軋制可有效減小TA15鈦合金中板橫縱向室溫強度差異。

研究認為，板材軋制后橫縱向力學(xué)性能差異是由于材料在不同方向上的滑移能力不同造成的，而不同方向上的滑移能力與軋制后的織構(gòu)密不可分。Gey等[14]對織構(gòu)類型及其形成機制研究發(fā)現(xiàn)，當初生α相與β相保持Burger’s取向關(guān)系時，在熱軋變形后的冷卻過程中，β→α相變將優(yōu)先形成特定取向的α相，從而導(dǎo)致局部變形織構(gòu)被保留；而當大變形充分破壞了初生α相與β相之間的Burger’s取向關(guān)系時，將減少織構(gòu)的形成。因此，相對于樣品A和樣品B，采用大變形軋制的樣品C變形更為充分，其織構(gòu)強度弱，故而橫縱向力學(xué)性能差異較小。

2.3高溫力學(xué)性能

2.3.1高溫拉伸性能

3種TA15鈦合金中板在500℃高溫下的抗拉強度如圖3所示。從圖3可以看出，3種TA15鈦合金中板的高溫抗拉強度均符合GJB2505A—2008要求（500℃高溫抗拉強度≥635MPa），且富余量較高。與室溫抗拉強度變化一致，樣品A在500℃的高溫橫縱向抗拉強度與樣品B相差不大，且2種板材橫縱向抗拉強度差值均為66MPa。而與樣品A和樣品B相比，樣品C橫向高溫抗拉強度降低，縱向增大，其橫縱向抗拉強度差異明顯較小，僅為6MPa。該結(jié)果同樣表明，換向次數(shù)對TA15鈦合金中板高溫拉伸性能的影響不大，而大變形軋制有利于橫縱向高溫抗拉強度差異的減小。

2.3.2高溫持久性能

在500℃/470MPa條件下，3中TA15鈦合金中板的持久性能檢測結(jié)果顯示，橫縱向試樣均可保持70.5h未發(fā)生斷裂，表現(xiàn)良好。

在500℃/440MPa條件下，3種TA15鈦合金中板的持久性能見表3。從表3可以看出，樣品A和樣品B均有1個縱向試樣提前斷裂，其余2個縱向試樣和3個橫向試樣保持121h未發(fā)生斷裂；樣品C橫縱試樣均保持121h未發(fā)生斷裂。由此可見，采用一次換向+三火次大變形軋制的樣品C持久性能最佳。

3、結(jié)論

(1)分別采用一次換向+四火次軋制、二次換向+四火次軋制和一次換向+三火次大變形軋制工藝制備出10.0mm厚TA15鈦合金中板，其組織均為α+β兩相區(qū)加工組織。采用二次換向+四火次軋制的樣品B初生α相最為細小，等軸化程度最高，而采用一次換向+三火次大變形軋制的樣品C初生α相大小次之，但其拉長程度最為顯著。

(2)3種TA15鈦合金中板橫縱向室溫拉伸性能和500℃高溫拉伸性能均符合GJB2505A—2008標準中對TA15鈦合金板材的要求。采用一次換向+三火次大變形軋制的樣品C室溫抗拉強度、屈服強度及500℃高溫抗拉強度橫縱向差異最小。

(3)3種TA15鈦合金中板在500℃/470MPa條件下的持久性能均表現(xiàn)良好，而在500℃/440MPa條件下采用一次換向+三火次大變形軋制的樣品C持久性能最佳。

(4)工業(yè)化生產(chǎn)中要獲得初生α相細小、等軸化程度高的TA15鈦合金中板時，可優(yōu)先選用二次換向+四火次軋制工藝；而需要獲得力學(xué)性能橫縱向差異較小、持久性能更為穩(wěn)定可靠的TA15鈦合金中板時，可優(yōu)先選用一次換向+三火次大變形軋制工藝。

文章引用：張苗,孫夢奇,馬佳琨等.TA15鈦合金中板組織與力學(xué)性能研究[J].鈦工業(yè)進展,2023,40(04):40-43.DOI:10.13567/j.cnki.issn1009-9964.2023.04.006.