退火溫度對TA15鈦合金棒顯微組織和力學性能的影響

引言

TA15鈦合金是一種航空領域使用的材料，相當于19世紀60年代前蘇聯研制的BT20鈦合金，兼具α和α-β型鈦合金的優點，具有良好的耐熱性、強度、塑性、韌性、耐蝕性和抗疲勞性能等［1-3］，還具有良好的加工性能，使用溫度可達500℃，已成功應用于飛機承力框、防護罩和發動機零件等，是國內最成熟、應用最廣泛的鈦合金之一［4-7］。

TA15鈦合金的性能與其組織密切相關［8］。TA15鈦合金通常要進行退火處理，退火溫度的選擇尤為重要［9-11］。本文對TA15鈦合金進行了不同溫度的退火處理，研究了退火溫度對其顯微組織和室溫及高溫力學性能的影響。

1、試驗材料和方法

試驗用TA15鈦合金采用真空自耗爐三次熔煉，鑄錠尺寸為φ760mm×2000mm，化學成分如表 1 所示。

清除鑄錠表面的異物，涂刷防護涂層，在20t臺車式燃氣爐中分段加熱，即800℃預熱150min，升溫至1150℃保溫3h后鍛造開坯成φ600mm×1000mm坯料。鍛造工藝為:首先用60MN快鍛機在β相區(1000～1150℃)進行多次自由鍛，變形量為40%～45%;隨后在α-β兩相區(940～970℃)進行多次自由鍛，變形量為35%～45%;最后采用20MN快鍛機在α-β兩相區(920～950℃)進行2火次拔長和摔圓成棒材，變形量為15%～40%，直徑為350mm。將棒材制備成φ350mm的退火處理用試棒，分別在760℃、800℃和840℃保溫2h空冷至室溫。

將退火后的試棒按GB/T228.1-2010加工成標距為25mm、標距直徑為5mm的拉伸試樣，采用AG-X萬能拉伸試驗機進行室溫和高溫(500℃)拉伸試驗，應變速率為10^-3s^-1。

制備金相試樣，然后采用JSM-6510型掃描電子顯微鏡進行金相檢驗和拉伸斷口分析。

2、結果與討論

2.1顯微組織

圖1為TA15鈦合金經不同溫度退火后的顯微組織。從圖1可以看出，TA15鈦合金顯微組織主要由初生α相和α+β兩相組成，退火過程中合金不僅發生了再結晶，相成分和相比例也發生了變化。

圖 1 760 ℃(a)和 840 ℃(b)退火的 TA15 合金的顯微組織

在較低溫度(760℃)退火的合金中初生α相含量較高而球化程度不足，如圖1(a)所示。隨著退火溫度的提高(840℃)，β相轉變的組織逐漸增多，其中細小的α相分布雜亂，如圖1(b)所示。這種組織有利于提高合金的強度，但高溫下充分球化也使其塑性略微降低。

2.2力學性能

2.2.1室溫力學性能

圖2為退火溫度對TA15鈦合金室溫力學性能的影響。由圖2可知，隨著退火溫度的升高，TA15鈦合金的抗拉強度升高，屈服強度先升高后略微下降，斷后伸長率降低。這與TA15鈦合金強度隨退火溫度的升高而升高的規律相同［12］。

圖 2 退火溫度對 TA15 鈦合金室溫力學性能的影響

圖 3 退火溫度對 TA15 鈦合金高溫力學性能的影響

2.2.2高溫力學性能

圖3為TA15鈦合金的高溫力學性能隨退火溫度的變化。從圖3可以看出，隨著退火溫度的升高，合金的高溫抗拉強度和屈服強度逐漸升高，而高溫斷后伸長率逐漸降低。與室溫拉伸性能相比，高溫抗拉強度比室溫的約低300MPa，而斷后伸長率比室溫的約高5%。

3、斷口分析

3.1室溫拉伸斷口

圖4為760℃和840℃退火的TA15鈦合金室溫拉伸斷口的微觀形貌。圖4表明，TA15鈦合金的室溫斷裂機制均為韌性斷裂，塑性較好。隨著退火溫度的升高，拉伸斷口的韌窩變小和變深，表明斷后伸長率逐漸升高［13］。

圖 4 760 ℃(a)和 840 ℃(b)退火的 TA15 鈦合金室溫拉伸斷口的掃描電鏡形貌

3.2高溫拉伸斷口

圖5為TA15鈦合金高溫拉伸斷口的微觀形貌，斷口有明顯的韌窩，顯示出韌性斷裂特征。高溫(840℃)退火的合金高溫拉伸斷口韌窩直徑較低溫(760℃)退火的合金細小，并且隨著退火溫度的降低，合金的拉伸斷口韌窩逐漸變深。因此，高溫退火的合金塑性較好。這可能與高溫拉伸過程中裂紋擴展速率較小有關。

圖 5 760 ℃(a)和 840 ℃(b)退火的 TA15 鈦合金高溫拉伸斷口的掃描電鏡形貌

4、結論

(1)隨著退火溫度的升高，TA15鈦合金中β相轉變的組織逐漸增多，細小的α相充分球化且分布雜亂。

(2)隨著退火溫度的升高，TA15鈦合金的室溫抗拉強度逐漸升高，室溫屈服強度先升高后有略微降低，斷后伸長率逐漸降低;高溫抗拉強度和屈服強度均隨著退火溫度的升高而升高。

(3)TA15鈦合金以韌性斷裂為主，且隨著退火溫度的升高，拉伸斷口的韌窩直徑變大變淺。

參考文獻

［1］謝旭霞，張述泉，湯海波，等．退火溫度對激光熔化沉積TA15鈦合金組織和性能的影響［J］．稀有金屬材料與工程，2008，37(9):1510-1515．

［2］吳斌，唐鼎承，賀小帆，等．激光金屬沉積TA15鈦合金工字梁疲勞性能研究［J］．稀有金屬，2022，46(5):545-553．

［3］邢如飛，許星元，黃雙君，等．激光沉積修復TA15鈦合金微觀組織及力學性能［J］．材料與工程，2018，46(12):144-150．

［4］王維，李辛覺，趙朔，等．激光沉積修復TA15激光沉積件的組織和疲勞性能［J］．稀有金屬，2019，43(10):1047-1053．

［5］卞宏友，雷洋，李英，等．預熱對激光沉積修復TA15鈦合金形貌尺寸和組織的影響［J］．中國有色金屬學報，2016，26(2):310-316．

［6］付應乾，董新龍．工業純鈦動態壓縮特性及破壞的實驗研究［J］．稀有金屬材料與工程，2016，45(1):102-106．

［7］黃朝文，趙永慶，辛社偉，等．高強韌鈦合金熱加工變形特征及其影響因素［J］．鈦工業進展，2016，33(1):8-14．

［8］許良，黃雙君，王磊，等．激光沉積修復TA15鈦合金疲勞性能［J］．稀有金屬材料與工程，2017，46(7):1943-1948．

［9］張治民，任璐英，薛勇，等．熱等靜壓Ti-6Al-4V鈦合金熱變形微觀組織演變［J］．稀有金屬材料與工程，2019，48(3):820-826．

［10］徐磊，郭瑞鵬，吳杰，等．鈦合金粉末熱等靜壓近凈成形研究進展［J］．金屬學報，2018，54(11):1537-1552．

［11］陰中煒，孫彥波，張緒虎，等．粉末鈦合金熱等靜壓近凈成形技術及發展現狀［J］．材料導報，2019，33(7):1099-1108．

［12］喬虹，曾元松，王富鑫，等．熔鑄態和鍛態TiBw/TA15復合材料熱變形行為研究［J］．鈦工業進展，2023，40(1):1-9．

［13］張金勇，陳冠方，張帥，等．亞穩β型TＲIP/TWIP鈦合金研究進展［J］．稀有金屬材料與工程，2020，49(1):370-376．