退火溫度對(duì)TA15鈦合金棒顯微組織和力學(xué)性能的影響

引言

TA15鈦合金是一種航空領(lǐng)域使用的材料，相當(dāng)于19世紀(jì)60年代前蘇聯(lián)研制的BT20鈦合金，兼具α和α-β型鈦合金的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的耐熱性、強(qiáng)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(dá)500℃，已成功應(yīng)用于飛機(jī)承力框、防護(hù)罩和發(fā)動(dòng)機(jī)零件等，是國(guó)內(nèi)最成熟、應(yīng)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(guān)［8］。TA15鈦合金通常要進(jìn)行退火處理，退火溫度的選擇尤為重要［9-11］。本文對(duì)TA15鈦合金進(jìn)行了不同溫度的退火處理，研究了退火溫度對(duì)其顯微組織和室溫及高溫力學(xué)性能的影響。

1、試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)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(xué)成分如表 1 所示。

清除鑄錠表面的異物，涂刷防護(hù)涂層，在20t臺(tái)車式燃?xì)鉅t中分段加熱，即800℃預(yù)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(jī)在β相區(qū)(1000～1150℃)進(jìn)行多次自由鍛，變形量為40%～45%;隨后在α-β兩相區(qū)(940～970℃)進(jìn)行多次自由鍛，變形量為35%～45%;最后采用20MN快鍛機(jī)在α-β兩相區(qū)(920～950℃)進(jìn)行2火次拔長(zhǎng)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(biāo)距為25mm、標(biāo)距直徑為5mm的拉伸試樣，采用AG-X萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫和高溫(500℃)拉伸試驗(yàn)，應(yīng)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(jìn)行金相檢驗(yàn)和拉伸斷口分析。

2、結(jié)果與討論

2.1顯微組織

圖1為TA15鈦合金經(jīng)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(guò)程中合金不僅發(fā)生了再結(jié)晶，相成分和相比例也發(fā)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(zhuǎn)變的組織逐漸增多，其中細(xì)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(qiáng)度，但高溫下充分球化也使其塑性略微降低。

2.2力學(xué)性能

2.2.1室溫力學(xué)性能

圖2為退火溫度對(duì)TA15鈦合金室溫力學(xué)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(qiáng)度升高，屈服強(qiáng)度先升高后略微下降，斷后伸長(zhǎng)率降低。這與TA15鈦合金強(qiáng)度隨退火溫度的升高而升高的規(guī)律相同［12］。

圖 2 退火溫度對(duì) TA15 鈦合金室溫力學(xué)性能的影響

圖 3 退火溫度對(duì) TA15 鈦合金高溫力學(xué)性能的影響

2.2.2高溫力學(xué)性能

圖3為TA15鈦合金的高溫力學(xué)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(qiáng)度和屈服強(qiáng)度逐漸升高，而高溫?cái)嗪笊扉L(zhǎng)率逐漸降低。與室溫拉伸性能相比，高溫抗拉強(qiáng)度比室溫的約低300MPa，而斷后伸長(zhǎng)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?cái)嗔褭C(jī)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(zhǎng)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(xì)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(guò)程中裂紋擴(kuò)展速率較小有關(guān)。

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(jié)論

(1)隨著退火溫度的升高，TA15鈦合金中β相轉(zhuǎn)變的組織逐漸增多，細(xì)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(qiáng)度逐漸升高，室溫屈服強(qiáng)度先升高后有略微降低，斷后伸長(zhǎng)率逐漸降低;高溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)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(xiàn)

［1］謝旭霞，張述泉，湯海波，等．退火溫度對(duì)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(fù)TA15鈦合金微觀組織及力學(xué)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(fù)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(yù)熱對(duì)激光沉積修復(fù)TA15鈦合金形貌尺寸和組織的影響［J］．中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2016，26(2):310-316．

［6］付應(yīng)乾，董新龍．工業(yè)純鈦動(dòng)態(tài)壓縮特性及破壞的實(shí)驗(yàn)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(qiáng)韌鈦合金熱加工變形特征及其影響因素［J］．鈦工業(yè)進(jìn)展，2016，33(1):8-14．

［8］許良，黃雙君，王磊，等．激光沉積修復(fù)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(jìn)展［J］．金屬學(xué)報(bào)，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(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀［J］．材料導(dǎo)報(bào)，2019，33(7):1099-1108．

［12］喬虹，曾元松，王富鑫，等．熔鑄態(tài)和鍛態(tài)TiBw/TA15復(fù)合材料熱變形行為研究［J］．鈦工業(yè)進(jìn)展，2023，40(1):1-9．

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