冷卻速率對TA15鈦合金組織和性能的影響

崔 霞，賈鵬程，杜海明，歐陽德來

(1.南昌航空大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，南昌 330063；2.江西師范大學(xué)，南昌 330022)

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冷卻速率對TA15鈦合金組織和性能的影響

崔 霞1，賈鵬程1，杜海明2，歐陽德來1

(1.南昌航空大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，南昌 330063；2.江西師范大學(xué)，南昌 330022)

利用可控冷卻速率熱處理裝置對TA15鈦合金進行了不同冷卻速率下的β熱處理工藝試驗，研究了該合金冷卻速率對微觀組織和硬度的影響。結(jié)果表明：合金加熱至1 020 ℃以上以不同冷卻速率冷卻后出現(xiàn)了兩種類型的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物——馬氏體和(α+β)片層組織；兩種類型轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中的原始β晶粒形貌均清晰可見；(α+β)片層組織中α片終止于原始β晶界和其他α集束團，原始β晶粒內(nèi)可形成多個α集束團，同一α集束內(nèi)α片層相互平行；隨冷卻速率增加，α片層厚度先快速后緩慢減小，而集束尺寸則呈線性減??；增加冷卻速率可提高(α+β)片狀組織的硬度。

TA15鈦合金；冷卻速率；微觀組織；硬度

0 引言

TA15鈦合金是一種通用型高鋁當(dāng)量近α合金，名義成分為Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V。該合金為中等強度級別鈦合金，具有良好的塑性，在高溫下有較高的抗蠕變強度和持久強度，并具有優(yōu)良的焊接和熱穩(wěn)定性能[1-3]。該合金主要用于制造500 ℃以下長時間工作的相關(guān)結(jié)構(gòu)零件、承力結(jié)構(gòu)件和一些溫度較高、受力較復(fù)雜的重要結(jié)構(gòu)零件，如發(fā)動機的各種葉片、機匣、飛機的各種鈑金件、梁、接頭、大型壁板以及焊接承力框等[4-6]。

隨著航空材料從單純的靜強度設(shè)計向損傷容限設(shè)計準(zhǔn)則轉(zhuǎn)變，采用鈦合金β工藝(β熱處理或β熱變形)取代傳統(tǒng)的兩相區(qū)(α+β)加工工藝以提高其損傷容限性能受到廣泛關(guān)注[7-8]。鈦合金片狀組織因裂紋在其層片狀α相內(nèi)部擴展時的路經(jīng)曲折，且裂紋分叉多，在破壞過程中消耗更多能量[9-10]，故片層組織的損傷容限性能比等軸、雙態(tài)組織好，即斷裂韌性最高，疲勞裂紋擴展速率最低[11-13]。因此，鈦合金片層組織結(jié)構(gòu)化是獲取其高損傷容限性能的有效方法之一[14-15]。鈦合金片層組織一般通過鈦合金β熱處理工藝而獲得，也即加熱至相變點以上溫度后以一定冷卻速率冷卻而形成[16]。鈦合金片層組織結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與β熱處理工藝(加熱溫度、保溫時間及冷卻速率)密切相關(guān)。其中，冷卻速率是影響片層組織結(jié)構(gòu)特征及其性能的顯著因素[15]。因此，本研究開展冷卻速率對TA15鈦合金組織和性能的影響研究，對該合金片層組織特征及其性能優(yōu)化具有重要的意義。

1 實驗材料及方法

實驗材料為經(jīng)(α+β)兩相區(qū)鍛造的TA15鈦合金棒材。原始組織是(α+β)混合組織，由β轉(zhuǎn)變組織基體上分布著一定數(shù)量的初生α相(圖1)。差熱分析法測量(α+β)/β相變點為(982±5) ℃。

圖1 TA15鈦合金原始組織

將材料切割成15 mm×15 mm×15 mm的立方體小塊進行熱處理試驗。在可控冷卻速率熱處理裝置中將合金加熱至1 020 ℃，保溫25 min，分別以0.5、1、2、5 ℃/min、空冷(約30 ℃/s)、水冷(約400 ℃/s)的冷卻速率進行冷卻。熱處理后試樣，經(jīng)機械研磨、拋光及浸蝕制成金相試樣，浸蝕劑為V(HF)：V(HNO3)：V(H2O)=1：3：7。顯微組織觀察及分析在TG3000型金相顯微分析系統(tǒng)上進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀組織類型

實驗用TA15鈦合金加熱至1 020 ℃后以不同冷卻速率冷卻時出現(xiàn)兩種類型的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，如圖2所示。圖2a是針狀形態(tài)馬氏體，原始β晶界清晰可見；圖2b為片層狀形態(tài)(α+β)片狀組織，白色部分為α相，黑色部分為β相，片層組織中原始β晶界清晰可見，原始β晶粒內(nèi)形成多個α集束團，同一α集束內(nèi)α片層相互平行，α片終止于原始β晶界和其他α集束團邊界。

圖2 TA15鈦合金兩種類型的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物

2.2 微觀組織演變

圖3為TA15鈦合金在1 020 ℃加熱保溫25 min后經(jīng)不同冷卻速率的顯微組織?？梢钥闯?，合金在水冷(圖3a)和空冷(圖3b)條件下均獲得馬氏體組織。冷卻速率≤5 ℃/min(圖3c～圖3f)時，合金β相轉(zhuǎn)變成(α+β)片狀組織。值得注意的是，不管轉(zhuǎn)變組織為馬氏體還是片狀組織，其原始β晶界形貌都清晰可見。從圖3還可看出，當(dāng)冷卻速率為5 ℃/min時，α片層厚度(λ)和集束尺寸(d)分別約為5、100 μm。當(dāng)冷卻速率降至2 ℃/min時，α片層厚度和集束尺寸分別增加至9、140 μm；繼續(xù)降低冷卻速率至1 ℃/min時，α片層厚度和集束尺寸分別增加至14、160 μm；當(dāng)冷卻速率至0.5 ℃/min時，α片層厚度和集束尺寸已分別增加為22、170 μm。可見，冷卻速率能顯著影響片層組織特征參數(shù)(α片層厚度和集束尺寸)，α片層厚度和集束尺寸均隨冷卻速率降低而增大。

圖3 冷卻速率對TA15鈦合金微觀組織的影響

2.3 冷卻速率對硬度的影響

合金在不同冷卻速率下微觀組織的差異必然會對其性能產(chǎn)生影響，而材料強度性能指標(biāo)與硬度具有一定的對應(yīng)關(guān)系，故本試驗測量合金不同冷卻速率下硬度性能指標(biāo)來定性地反映冷卻速率對強度性能的影響。圖4為TA15鈦合金冷卻速率對其硬度的影響。可看出，隨冷卻速率降低，合金硬度降低，說明合金強度隨冷卻速率降低而降低。此外，合金經(jīng)水冷和空冷后的硬度相差不大，說明不同冷卻速率下獲得馬氏體硬度和強度相近。而不同冷卻速率下獲得(α+β)片狀組織的硬度存在明顯差異，說明(α+β)片狀組織結(jié)構(gòu)特征參數(shù)對硬度或強度具有顯著影響。圖5為TA15合金片層結(jié)構(gòu)參數(shù)對合金硬度的影響關(guān)系曲線，從圖中可以看出：隨集束尺寸增加，合金硬度先緩慢降低后快速降低；隨α片層厚度增加，合金硬度近似線性降低。說明降低α片層厚度和集束尺寸均可提高合金硬度。由于增加冷卻速率降低了合金片狀組織的α片層厚度和集束尺寸，故增加冷卻速率可在一定程度上提高合金的硬度或強度。

圖4 不同冷卻速率對合金硬度的影響

圖5 片層結(jié)構(gòu)參數(shù)對合金硬度的影響

3 結(jié)論

1) TA15鈦合金加熱至β相變點以上、以不同冷卻速率冷卻后出現(xiàn)兩種類型的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，即馬氏體和(α+β)片層組織。

2) (α+β)片層組織中原始β晶界清晰可見，α片終止于原始β晶界和其他α集束團邊界，原始β晶粒內(nèi)可形成多個α集束團，同一α集束內(nèi)α片層相互平行。

3) 合金冷卻速率≤5 ℃/min時均可獲得(α+β)片狀組織，且隨冷卻速率增加，α片層厚度先快速后緩慢減小，而集束尺寸則呈線性減小。

4) 提高冷卻速率減小了合金片狀組織的α片層厚度和集束尺寸，從而提高(α+β)片狀組織的硬度或強度。

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Inference of Cooling Rate on Microstructure and Property of TA15 Titanium Alloy

CUI Xia1，JIA Peng-cheng1，DU Hai-ming2，OUYANG De-Lai1

(1.SchoolofMaterialScienceandEngineering,NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China;2.JiangxiNormalUniversity,Nanchang330022,China)

β heat treatment with different cooling rare of titanium alloy TA15 were conducted on a heat treatment machine with controllable cooling rate. The effect of the cooling rate on the microstructure and hardness is investigated. The results indicate that two types of transformation products of martensite and (α+β) lamellae microstructure were observed when the alloy was heated to the temperature of the beta phase transition point, and then cooled at different cooling rate. The original beta grain morphology in the transformation products is visible. The α plate of (α+β) lamellae microstructure terminates at original β grain boundaries and other α cluster, which results in multiple α cluster with the same α plate orientation in original β grain. With the increase of cooling rate, the α plate thickness decreases rapidly firstly, and then decreases slowly, while the α cluster size decreases linearly. The increasing of hardness of (α+β) lamellar microstructure with increasing the cooling rate is observed.

TA15 titanium alloy; cooling rate; microstructure; hardness

2016年4月5日

2016年6月28日

國家自然科學(xué)基金(51261020)；江西省教育廳科技項目(GJJ14505)

崔霞(1979年-)，女，博士研究生，講師，主要從事難變形材料工藝、組織及性能等方面的研究。

TG156.1

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.04.002

1673-6214(2016)04-0208-04