飛機用TA15鈦合金棒高溫與室溫拉伸性能的研究

鈦及鈦合金具有耐高溫、耐腐蝕性、比強度高、密度小及耐低溫等優異性能，在海洋工程、航空發動機、氫氧發動機、化工等不同領域都有十分廣泛的應用，發展前景良好[1-2]。TA15鈦合金的名義成分為Ti-6.5A1-2Zr-1Mo-1V，是一種中強度的近α型鈦合金，強化方式除了添加α型穩定元素Al進行固溶強化以外，還加入Mo和V兩種β型穩定元素以及中間元素Zr進行強化，使其具有優異的熱強性、焊接性以及工藝塑性等特點，在飛機機匣、發動機葉片、氫氧發動機結構件等領域均有大量應用[3-4]。

由于TA15鈦合金在諸多領域的應用愈加廣泛，對其性能的要求也更加嚴格，研究更加深入和多面化。周松等[5]進行了激光沉積修復TA15鈦合金斷裂韌度研究。結果表明：激光修復后的試樣其各方面斷裂韌性均小于基材，屈強差越大，斷裂韌性越大，體修復后的裂紋擴展位于熱影響區，而面修復后的裂紋擴展在網籃組織、雙態組織及熱影響區內同時進行。董顯娟等[6]研究了β轉變組織TA15鈦合金的流動軟化行為。結果表明：影響其流動軟化機制的重要因素為變形熱效應，隨著應變速率的提高和變形溫度的降低，變形熱軟化程度增強，控制流動軟化的機制有動態回復、動態再結晶以及流動失穩缺陷等因素。本文以TA15鈦合金棒材為研究對象，研究了棒材在不同退火溫度后的金相組織、室溫拉伸以及高溫拉伸的力學性能演變規律，可為TA15鈦合金的生產應用提供參考。

1、試驗材料與方法

試驗原材料為TA15鈦合金棒材，具體化學成分見表1。合金的原始鍛態金相組織如圖1所示。該金相組織為等軸組織，其中α相形態有兩種，一種為初生α相，在基體上均勻分布的；另一種為次生α相，主要在βT（β轉變組織）中，原始金相組織由初生α相和βT（細條次生α相，次生α相之間黑色底為殘余β）組成。合金相變點測定根據GB/T23605—2009《鈦合金轉變溫度β測定方法》執行，測得其相變點為1010～1015℃。

將TA15鈦合金棒材切割成若干份，進行室溫與高溫拉伸性能測試，其中室溫拉伸測試方法為：將切割后棒材放入箱式電阻爐中分別進行870、900、930、960℃的熱處理，保溫時間為1.5h，冷卻方式為空冷（AC），熱處理完成后，從棒材上取樣并進行金相組織觀察和室溫拉伸性能測試。高溫拉伸測試方法為：將棒材加工成高溫拉伸試樣后，將試樣裝入試驗設備中進行加熱，待溫度升到870、900、930、960℃后并保溫10min，隨后分別在這4種溫度下進行高溫拉伸試驗。

使用ICX41M光學顯微鏡觀察并拍照金相組織；使用INSTRON-5580萬能試驗機進行室溫和高溫拉伸性能測試；室溫及高溫拉伸試樣斷口形貌使用QUANTA型掃描電鏡觀察，室溫與高溫拉伸試樣均為L向（棒材縱向），每組試驗測試3個試樣，最后取平均值作為試驗結果。

2、結果與討論

2.1金相組織

圖2為TA15合金經過不同溫度退火后的金相組織。由圖2可知，與原始鍛態組織相比，合金在870℃時（圖2（a）），初生α相尺寸減小，βT組織消失，除了初生α相以外，組織內還有細小次生α相均勻分布。因為TA15棒材在兩相區鍛造時的塑性變形使組織位錯密度增多，同時還有少量變形能以應變能的形式儲存起來。所以，在870℃退火時，合金以回復為主，釋放部分變形儲能，增強內部原子擴散，降低組織位錯密度。當退火溫度在900℃時（圖2（b）），組織內初生α相和細小次生α相含量減少，溫度升高導致原子擴散能力提高，變形時發生畸變的晶粒和未發生畸變的晶粒有內能差產生，在其作用下，發生變形的晶粒轉變為位錯密度低且無應變的等軸晶，變形儲能得到進一步釋放。退火溫度在930℃時（圖2（c）），細小次生α相含量進一步減少，組織內出現完整的β晶粒。由于退火溫度進一步升高，組織內平衡α相的體積分數增加，使α相開始 沿著β/β晶界逐漸向再結晶β片層中滲透，導致β晶粒開始分離[7]。當溫度達到960℃時（圖2（d）），組織內的β晶粒中有新的細小的α相析出（α_s），與殘余β相組成新的β_T組織，此時合金的組織由等軸組織轉變為雙態組織。通常情況下，組織中α_s是否析出由加熱后合金冷卻速度和β基體內元素含量決定[7]。因為退火溫度會影響合金中元素再分配的過程，當退火溫度升高時，α相向β相轉變增多，元素再分配會使β穩定元素在β相中的含量下降，同時組織內α穩定元素含量增加，β相的穩定性在冷卻過程中降低，促使α_s相析出。又因為冷卻速度相同時，退火溫度決定冷卻時間的長短，溫度越高，冷卻時間越長，對于α_s的析出越有利。

2.2室溫拉伸性能

圖3為不同溫度退火后合金的室溫拉伸性能。

由圖3可得，隨著退火溫度的升高，合金強度先下降然后升高，塑性呈現出相反趨勢，在960℃退火溫度下，抗拉強度（Rm）最高可達1071MPa，屈服強度（Rp0.2）為881MPa；在930℃退火溫度下，斷后伸長率（A）最高為17.5%，斷面收縮率（Z）為46%。這是因為隨著退火溫度的升高，組織內α相向β相開始轉變，組織中α相和β相同時發生回復與再結晶。

在870℃退火時，以回復為主，鍛造變形產生的位錯無法完全去除，導致合金的強度較低[8]。當退火溫度為900℃時，以再結晶為主，隨著α--->β相轉變進行，組織的次生α相發生溶解，導致β相發生軟化，合金在強度降低的同時塑性提高。因此，當退火溫度升高到930℃時，合金的強度與塑性變化更加明顯。相比900℃退火，組織中初生α相更小，大部分次生α相融入β相中，組織中出現軟化后的β晶粒，致使合金的強度降低到最小值，塑性達到最大值。在960℃進行退火時，合金的力學性能受到α--->β相轉變過程中初生α相的形態和含量發生變化以及冷卻過程中α_s相析出的雙重影響。合金發生塑性變形時，滑移首先在等軸α晶粒中開始，形變在不斷增加過程中，越來越多的初生α相晶粒被滑移所占據，由于此時組織中存在β_T，導致滑移會向β_T內擴展，βT內的αs相是影響合金強度的主要因素[9]，大量的細小α_s相相互交錯分布于β_T中，此時的相界面對滑移有阻礙作用，導致合金難以發生變形，強度增大。而等軸α晶粒具有縮小滑移帶間距的作用，使得位于晶界處位錯塞積減小，延遲空洞的形核及長大，增強合金發生斷裂前所承受變形的程度，對合金塑性具有有利作用[10-12]。

2.3高溫拉伸性能

圖4為TA15合金在不同溫度下的高溫拉伸性能。由圖4可知，隨著拉伸溫度的提高，合金的強度和塑性呈現相反趨勢。在870℃時，強度最高，塑性最低，其中抗拉強度（Rm）為258MPa，屈服強度（R_p0.2）為189MPa；在960℃時，強度最低，塑性最高，其中斷后伸長率（A）最高為280%。與室溫拉伸相比，高溫拉伸的合金強度明顯降低，塑性明顯上升。高溫拉伸時，合金內部能量升高，增大原子的震動范圍，進行塑性變形的晶格會位于新的平衡位置，在拉伸開始時，合金是以彈性變形為主，并包含少量塑性變形的混合變形，導致其與室溫拉伸有所不同。也有研究指出[13]：在高溫拉伸時，組織內的動態回復與動態再結晶相對與室溫更容易發生，位錯密度降低，合金軟化效果增加，導致形變容易發生，強度降低。當拉伸溫度為870℃時，此時變形溫度較低，當發生變形時，晶粒滑移會導致組織中有大量位錯產生，并產生位錯纏結和堆積現象，導致位錯密度增加，合金具有一定硬化現象，導致應力上升，強度較高。當拉伸溫度為900℃時，隨著溫度的升高會導致組織內晶界強度降低，變形時晶粒會被拉長，表現為塑性增大，同時提高溫度還會促進動態再結晶，降低晶界滑動時所導致的晶界附近應力集中現象，促進變形發展，塑性提高。同時再結晶還會降低位錯密度，減弱硬化效果，導致強度降低。當變形溫度升到930℃時，較高溫度會大幅降低位錯滑移時的臨界分切應力，促進晶界滑移與位錯滑移產生，較高溫度還會使α相溶解度增加，次生α相減少會降低強化作用，合金強度進一步下降。當拉伸溫度為960℃時，α相溶解度進一步增加，組織發生α--->β相的轉變增多，初生α相細小且呈等軸狀，組織內晶界數量增多、長度變短，合金發生變形時容易產生晶界滑動，且β相具有更多的滑移系，變形時更容易進行晶內滑移[14]，從而使合金塑性達到最大值。

2.4斷口分析

圖5為TA15合金經過不同溫度退火后的室溫拉伸斷口形貌。由圖5可知，不同退火溫度的斷口形貌大致相同，均以韌窩為主，形貌均為等軸韌窩，具有明顯的韌性斷裂特征。合金塑性大小通常由韌窩的深淺和大小決定，當韌窩深且大時，合金具有良好塑性，當韌窩淺且小時，合金塑性較差[15]。退火溫度為870、900℃時，斷口韌窩形貌分布均勻且為等軸狀韌窩，但韌窩較小較淺（圖5（a）、（b））。當合金退火溫度為930℃時，韌窩有大有小，分布均勻，且韌窩較深（（圖5（c）），塑性達到最佳值。當退火溫度繼續升高至960℃時，組織中形成β_T，其中含有細小αs相，進行拉伸時，當裂紋擴展至α_s相時，由于不同α_s相取向各異，當裂紋到達其邊界位置時，取向不同的αs相對其阻礙不同，界面上會有空洞出現（圖5（d）），宏觀上體現為合金塑性下降[16]。

圖6為不同拉伸溫度下TA15合金的高溫拉伸斷口形貌。由圖可見，與室溫拉伸斷口形貌相比，高溫拉伸斷口中同樣包含大量的等軸狀韌窩，其韌窩尺寸更大更深，且韌窩的大小和深度隨著拉伸溫度升高而變大，具有軟化后的流變特征，是明顯的韌性斷裂。高溫拉伸斷口處有眾多大尺寸韌窩產生，說明合金在斷裂前有較大的塑性變形發生，而其斷口處除了一定數量大尺寸韌窩外，較大的韌窩周圍分布著一定數量小韌窩。斷口中較大較深的韌窩通常是由α束域或等軸α晶粒在斷裂過程中形成，小韌窩一般由片狀α或β晶粒在斷裂時所形成。

3、結論

（1）合金的原始組織為等軸組織，退火后合金的初生α相尺寸減小，β_T組織消失，并有細小次生α相均勻分布。隨著退火溫度的升高，組織經歷回復與再結晶過程，同時組織內β晶粒中有細小α_s析出，與殘余β相組成新的β_T組織，組織變為雙態組織。

（2）隨著退火溫度的升高，室溫下合金強度先下降再升高，塑性呈現出相反趨勢，在960℃時強度最高，抗拉強度為1071MPa，屈服強度為881MPa，在930℃時塑性最佳，斷后伸長率為17.5%，斷面收縮率為46%。高溫拉伸試驗中，在870℃時強度最高，抗拉強度為258MPa，屈服強度為189MPa，在960℃時，塑性最高，斷后伸長率最高為280%。

（3）不同熱處理溫度的室溫斷口形貌大致相同，均為等軸韌窩；不同拉伸溫度下的高溫拉伸斷口中同樣包含大量的等軸狀韌窩，其韌窩尺寸更大更深，室溫與高溫拉伸的斷口形貌均為韌性斷裂的特征。

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