TA15鈦合金厚板表層心部受力變形差異對組織織構的影響及力學性能各向異性形成機制與結構件選材數據支撐研究

引言

鈦及鈦合金因其獨特的物理化學特性而成為現代工業中不可或缺的重要材料,其不僅具有無磁性、優異的生物相容性和出色的耐腐蝕性能,還表現出極佳的韌性[1-2]。即使在極端環境下,鈦合金仍能保持良好的力學性能和化學穩定性,使其在航空航天、生物醫療、海洋工程和石油化工等多個高科技領域得到了廣泛應用[3-4]。TA15鈦合金是一種近α型鈦合金,該合金除了具有優異的高溫性能,還具備良好的耐腐蝕性,在航空航天、海洋工程、石油化工等工業領域應用廣泛[5-6]。

目前關于TA15鈦合金板材的研究主要集中在薄板和中厚板,例如:張苗等[7]研究了TA15鈦合金中板組織與力學性能研究;孫夢桐等[8]研究了軋制工藝對TA15鈦合金薄板微觀組織及拉伸力學性能的影響;張俊祺等[9]研究了TA15鈦合金薄板微觀組織與拉伸性能。

關于TA15鈦合金厚板(通常指厚度超過40 mm)的系統性研究鮮有報道。TA15鈦合金厚板在航空航天、船舶制造等重型裝備領域具有重要的應用潛力,其宏微觀組織、力學性能與薄板存在顯著差異。故深入開展TA15鈦合金厚板的基礎研究和工程化攻關,不僅能夠填補該材料在厚度方向上的研究空白,完善鈦合金全厚度的理論體系,更能為大型結構件的設計選材和可靠性評估提供關鍵數據支撐,對推動高端裝備輕量化發展具有重要的學術價值與工程意義。

1、試驗材料與方法

本試驗采用厚度為70 mm的TA15鈦合金板材作為研究對象。首先采用真空自耗電弧熔煉(VAR)配以高純海綿鈦和中間合金為原料,經3次熔煉獲得成分均勻的鑄錠,隨后通過多火次鍛造加工成厚度為250 mm的板坯,隨后通過軋機將板坯軋制成厚度為70 mm的板材。采用電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES)對合金成分進行測定,結果如表1所示。

表1 TA15鈦合金板化學成分(質量分數) %

采用鋸床以及線切割方法將TA15鈦合金厚板進行加工取樣,取樣位置分別為TA15鈦合金厚板表層及心部位置,組織和力學性能測試分別為板材的橫向(T向)和縱向(L向),縱向為板材軋制方向。微觀組織方面,采用蔡司Axio Observer 7型倒置式金相顯微鏡進行顯微組織觀察,試樣經機械拋光后使用Kroll試劑腐蝕。晶體結構方面,采用型號為SUPRA 55場發射掃描電鏡內置的Oxford鏡頭進行EBSD測試。力學性能方面,采用AG-X 100 kN電子萬能試驗機進行室溫拉伸測試,為保障數據可靠性,每組參數測試3個有效試樣,取平均值作為測試結果,應變速率設置為1×10?3 s?1。

2、結果與討論

2.1 微觀組織

圖1為TA15鈦合金厚板表層與心部位置金相組織,發現板材同一位置橫向(T向)與縱向(L向)組織形貌接近,但表層與心部二者組織形貌差異化較大。雖然表層組織和心部組織均主要由初生α相(位置A)以及次生α相(位置B)構成,但心部組織初生α相含量以及次生α相體積較表層組織有明顯增加。

板材在軋制過程中會受到壓應力,通過軋輥的壓力使厚度減小,長度增加。板材表層因為直接與軋輥接觸,受到較大的剪切應力和摩擦力,導致塑性變形更劇烈,且表層金屬流動受限較少,容易發生較大的壓縮和延伸變形[10]。在軋制過程中,板材心部處于三向壓應力狀態,變形阻力較大,且受外層金屬的約束,實際變形量較小,通常以均勻壓縮為主。在軋制過程中,表層因劇烈變形和高應變速率觸發動態再結晶,會形成細小晶粒[11]。同時,表層與軋輥接觸后快速散熱,抑制晶粒長大。而心部變形量較小,動態再結晶不完全,且高溫環境持續較久(冷卻速度慢),會發生靜態再結晶或晶粒長大,導致晶粒尺寸較大。

綜上所述,板材心部變形量較小,且冷卻速率較慢,使心部組織中初生α相以及次生α相在軋制過程以及后續的冷卻過程發生長大,最終形成圖1(c)與圖1(d)的組織形貌。

2.2 晶體結構

TA15鈦合金厚板表層與心部位置極圖信息如圖2所示,發現不同位置的極圖類型相近,但同一位置橫向(T向)與縱向(L向)的極圖類型產生較大差異。板材表層橫向位置為R型織構,板材心部橫向則為近R型織構,且表層織構強度為9.57,較心部織構強度6.12更大。板材表層和心部縱向位置都為T型織構,且表層織構強度為7.48,較心部織構強度5.3更大。綜上所述,板材表層織構強度較心部更高,板材橫向織構強度較縱向更高,且板材橫向以R型織構為主,而板材縱向以T型織構為主。

鈦合金厚板表層位置織構強度較心部位置更大,主要是在加工過程中,表層位置受到的熱輸入和機械應力作用比心部更大,導致表層位置在晶粒形成和生長過程中受到的影響更大,從而形成了更強的織構強度[12]。此外,表層位置在冷卻過程中也會受到更大的熱應力,這也會導致表層織構強度的增大。

橫向與縱向織構類型不同,是因為板材橫向與縱向在軋制過程中受力不同。板材在加工過程中,橫向的應力或載荷分布更顯著,因此橫向的織構強度更大[13]。

2.3 力學性能

TA15鈦合金厚板表層與心部位置的室溫拉伸性能如圖3所示,發現板材表層位置強度較心部位置更高,但塑性較低。進一步觀察發現,板材同一位置橫向強度較縱向更高,但塑性差異化較小,即板材存在明顯的各向異性。表層與心部橫向抗拉強度最大差值可達35 MPa,表層與心部縱向抗拉強度最大差值可達40 MPa。綜合對比發現,板材表層位置橫向強度最高,但塑性最低,此時抗拉強度(Rm)為1 000 MPa,屈服強度(Rp0.2)為910 MPa,斷后伸長率(A)為16%。

由圖1可知,相比于心部位置,板材表層位置組織中初生α相含量更少,但次生α相含量更多。表層組織中次生α相在塑性變形過程中能夠有效阻礙位錯運動,從而顯著提升合金的強度。當合金受到外力作用時,位錯在滑移過程中需要穿過彌散分布的次生α相。次生α相尺寸細小且分布密集,位錯難以直接切過,導致局部應力集中[14]。同時,位錯在繞過析出相時會在其周圍形成位錯環,進一步增加滑移阻力。隨著拉伸試樣變形量增大,位錯在次生α相附近發生塞積,并在晶界處產生應力集中,從而顯著提高合金強度。板材心部位置初生α相含量更多,在拉伸載荷作用下,初生α相因其各向同性的特點能夠同時激活多個滑移系,使得塑性變形得以在晶粒間均勻分布。變形首先在體積分數較高的初生α相中啟動,隨后通過協調變形機制迅速傳遞至相鄰晶粒[15]。這種多滑移系的協同作用有效避免了變形局域化現象,顯著降低了局部應力集中風險。初生α相含量更高的組織不僅抑制了單個晶粒內過度滑移導致的損傷累積,還阻礙了微裂紋在晶界處的形核與擴展,從而大幅提升了材料的斷后伸長率。

由圖2可知,板材橫向以及縱向織構類型不同,且橫向織構強度更大。不同織構類型意味著晶粒的特定晶面和晶向相對于外力方向呈現不同形變。當外力方向與易滑移方向一致時,臨界分切應力較低,滑移系更易啟動,導致強度降低;反之則需更高外應力才能引發塑性變形,表現為強度升高,故不同織構類型導致板材產生各向異性[16]。此外,在織構強度更高的組織中,多數晶粒取向相近,僅有限滑移系可激活,變形協調性差,易產生應力集中,進而提高強度,即導致板材橫向強度更高。

3、結論

板材同一位置橫向與縱向的顯微組織形貌相近,但表層與心部組織形貌差異化較大。表層組織和心部組織均主要由初生α相以及次生α相構成,但心部組織初生α相含量以及次生α相體積較表層組織有明顯增加。

不同位置的極圖類型相近,橫向與縱向的極圖類型產生較大差異,板材表層織構強度較心部更高,板材橫向織構強度較縱向更高,且板材橫向以R型織構為主,而板材縱向以T型織構為主。

板材表層位置強度較心部位置更高,但塑性較低,同一位置橫向強度較縱向更高,但塑性差異化較小,板材存在明顯的各向異性。

參考文獻

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（注，原文標題：TA15鈦合金厚板組織與力學性能研究_王軍）