飛機結構和發動機用TA15鈦合金中板組織與力學性能研究

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℃，在航空航天等領域得到了廣泛應用[1-3]。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[4-6]。

隨著TA15鈦合金在飛機結構和發動機上應用的深入，對板材性能也提出了更為嚴苛的要求，關于TA15鈦合金板材的研究也在不斷豐富[7-10]。楊健等[7]研究了不同軋制工藝對TA15鈦合金薄板組織及力學性能的影響；劉瑞民等[8]研究了熱處理參數對TA15鈦合金薄板和厚板拉伸性能和顯微組織的影響；王蕊寧等[9]分析了不同火次軋制過程中TA15鈦合金板材的組織變化；郭志軍等[10]探討了變形參數對TA15鈦合金厚板顯微組織及力學性能的影響。但目前關于TA15鈦合金中板工業化生產中軋制工藝與組織性能關系的研究仍較為缺乏。

本研究采用3種不同軋制工藝制備TA15鈦合金中板，分析不同板材間組織和性能的差異，建立工藝–組織–性能之間的關系，以期為工業化生產TA15鈦合金中板工藝的制定與選擇提供參考。

1、實驗

實驗材料為采用真空自耗電弧爐經3次熔煉制備的TA15鈦合金鑄錠，金相法測定相變點T_β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T_β–（20~50）℃，其他火次加熱溫度為T_β–（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，分析換向次數對TA15鈦合金中板顯微組織和力學性能的影響；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性能的影響。

工藝Ⅰ、工藝Ⅱ和工藝Ⅲ軋制的TA15鈦合金中板經840℃/1h/AC退火處理后，標記為樣品A、樣品B和樣品C，分別切取橫、縱向試樣，進行顯微組織觀察、室溫和高溫力學性能檢測。金相試樣經腐蝕液（5%HF+12%HNO3+83%H2O，體積分數）浸蝕5s后，按照GB/T5168—2008標準在AXIOVERT200MAT金相顯微鏡下進行組織觀察。室溫和500℃高溫拉伸性能分別按照GB/T228—2002標準和GB/T228.2—2015標準在INSTRON5885電子萬能材料拉伸試驗機和TSE105D-Z高溫拉伸試驗機上測試，以3個平行試樣的平均值作為測試結果。高溫持久性能按照GB/T2039—2012標準在RD-50微控電子式蠕變持久試驗機上進行，測試條件分別為：①在500℃/470MPa下持續70.5h；②在500℃/440MPa下持續121h。

2、結果與分析

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兩相區加工組織，無連續平直的晶界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范》中對TA15鈦合金板材顯微組織的要求。

圖 13 種 TA15 鈦合金中板的顯微組織

Fig.1Microstructures of TA15 titanium alloy medium plates: (a) Sample A, transverse; (b) Sample B, transverse; (c) Sample C, transverse,(d) Sample A, longitudinal; (e) Sample B, longitudinal; (f) Sample C, longitudinal

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出現大量拉長的初生α相。可見，增加換向次數有利于提高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相尺寸進行測量統計，結果見表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。

圖 2 3 種 TA15 鈦合金中板的室溫拉伸性能

Fig.2 Room temperature tensile properties of TA15 titanium alloy medium plates: (a) tensile strength; (b) yield strength; (c) elongation

研究[11-13]認為，板材軋制后橫縱向力學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密不可分。Gey等[14]對織構類型及其形成機制研究發現，當初生α相與β相保持Burger’s取向關系時，在熱軋變形后的冷卻過程中，β→α相變將優先形成特定取向的α相，從而導致局部變形織構被保留；而當大變形充分破壞了初生α相與β相之間的Burger’s取向關系時，將減少織構的形成。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，其織構強度弱，故而橫縱向力學性能差異較小。

2.3高溫力學性能

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。該結果同樣表明，換向次數對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。

圖 3 TA15 鈦合金中板的 500 ℃高溫抗拉強度

Fig.3High temperature tensile strength at 500 ℃ of TA15 titanium alloy medium plates

2.3.2高溫持久性能

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

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未發生斷裂；樣品C橫縱試樣均保持121h未發生斷裂。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)工業化生產中要獲得初生α相細小、等軸化程度高的TA15鈦合金中板時，可優先選用二次換向+四火次軋制工藝；而需要獲得力學性能橫縱向差異較小、持久性能更為穩定可靠的TA15鈦合金中板時，可優先選用一次換向+三火次大變形軋制工藝。

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