TA15 鈦合金薄板組織與拉伸性能

供稿|楊錚，張明玉，趙小龍，王田，景亞婷

內(nèi)容導(dǎo)讀

使用2450 mm 軋機對TA15 鈦合金進行薄復(fù)疊軋軋制加工，使用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡以及拉伸性能試驗，對薄板進行微觀組織和拉伸性能研究。結(jié)果表明：薄板的組織主要由α 晶粒組成，在各α 晶粒之間存在黑色的殘余β 相，α 晶粒的形貌以等軸狀與細長條狀為主，存在一定的軋制加工形貌。薄板的軋制方向（TD）與薄板的橫向（RD）方向的拉伸性能十分接近，斷口微觀形貌均由大量等軸狀韌窩構(gòu)成，具有明顯的韌性斷裂特征，除包含大量韌窩外，還包含少量的小平面，小平面十分光滑且圓潤，同時發(fā)現(xiàn)一定數(shù)量的二次裂紋。

鈦及鈦合金具有耐腐蝕性好、耐低溫、密度低、比強度高等十分眾多的優(yōu)異特性，使其在化工、低溫發(fā)動機、海洋工程、航天航空等領(lǐng)域均有大量的應(yīng)用[1-3]。TA15 鈦合金（名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V）是一種十分典型近α 型合金，該合金具有優(yōu)異的可加工性、良好的焊接性能以及熱穩(wěn)定性能、同時具備較好室溫以及高溫力學(xué)性能，在海洋工程、航天航空、發(fā)動機葉片等領(lǐng)域均有廣泛的使用，因其應(yīng)用領(lǐng)域越來越多，對其研究也十分多元化[4-5]。

目前，馬慶等[6]研究了TA15 鈦合金雙道次熱壓縮變形軟化行為及等軸α 相組織演變規(guī)律，結(jié)果表明：合金在雙道次熱壓縮加工工程中，降低應(yīng)變速率、提高變形溫度都會減小變形時的流動應(yīng)力，而在保溫過程中，合金會產(chǎn)生靜態(tài)軟化效應(yīng)，該效應(yīng)受到應(yīng)變速率、變形溫度以及間隙保溫時間等因素影響，此外，發(fā)現(xiàn)組織中的α 晶粒細化明顯，靜態(tài)軟化效應(yīng)越好，細化越明顯。劉航等人[7]對TA15 鈦合金雙重熱處理三態(tài)組織中的片層α 尺寸進行了研究，結(jié)果表明：獲得三態(tài)組織的方法為合金經(jīng)兩相區(qū)加熱后空冷，組織中片層α 的厚度隨著熱處理溫度的升高而增加，但其長度減小。當加熱溫度在近β 區(qū)間時，隨著保溫時間的增加，片層α 長度隨之增加。

雖然目前對TA15 鈦合金的研究較多，但鑒于工程化應(yīng)用，新型的生產(chǎn)工藝仍是重要的研究方向，本文研究薄覆疊軋工藝生產(chǎn)大規(guī)格TA15 鈦合金薄板的組織與力學(xué)性能關(guān)系，為實際生產(chǎn)提供參考。

試驗材料與方法

包覆疊軋工藝制備薄板通常由兩部分構(gòu)成，首先是將板材軋制到最終厚度的3～4 倍，期間需進行換向軋制，換向軋制能夠使得板材橫、縱向的組織與力學(xué)性能更加均勻。其次是將板材通過類似三明治的方式，將2～4 層板材疊放于雙層鋼套中，隨后進行軋制，直至加工到成品板材尺寸。使用2450 mm 軋機對TA15 鈦合金進行薄復(fù)疊軋軋制加工，將TA15 鈦合金板坯軋制成厚度為2.5 mm 的薄板，隨后對薄板進行850 ℃/2 h 退火熱處理，制成成品薄板，使用ICP 測定薄板的具體化學(xué)成分為w(Al)=6.61%、w(V)=1.21%、w(Mo)=1.17%、w(Zr)=1.93%、w(O)=0.089%、w(Fe)=0.035%、Ti 余量。與傳統(tǒng)TA15 鈦合金鍛件與板材相比，通過薄復(fù)疊軋工藝生產(chǎn)的TA15 鈦合金薄板，其厚度更薄，退火均勻性更好，可使得TA15 鈦合金的使用領(lǐng)域更加廣泛，并增加該合金的工程應(yīng)用價值。

采用連續(xù)升溫金相法，測試TA15 鈦合金薄板的相轉(zhuǎn)變溫度為1010～1015 ℃，將TA15 鈦合金薄板進行加工取樣，分別測試該合金的微觀組織與室溫拉伸性能，隨后觀察拉伸試樣的斷口微觀形貌。其中取樣方向分別為薄板的軋制方向（RD）與薄板的橫向方向（TD）。薄板的微觀組織使用型號為ICX41M 的金相顯微鏡觀察并拍照，使用型號為INSTRON 的萬能電子試驗機進行室溫拉伸性能測試，拉伸斷口微觀形貌使用Quanta 型掃描電鏡進行觀察拍照，其中拉伸性能測試每組測量兩個試樣，最后取其平均值，拉伸性能測試項目為抗拉強度（Rm）、屈服強度（Rp0.2）、斷后伸長率（A），室溫拉伸加工試樣如圖1 所示。

圖1 室溫拉伸試樣（單位：mm）

結(jié)果與討論

金相組織

圖2 為TA15 鈦合金薄板的微觀組織，由圖2可知，經(jīng)薄覆疊軋以及退火處理后，薄板的組織主要由α 晶粒組成，在各α 晶粒之間存在黑色的殘余β 相，薄板的RD 與TD 方向微觀組織接近，無明顯差異，組織中α 晶粒的形貌以等軸狀與細長條狀為主，存在一定的軋制加工形貌。TA15 合金板坯在軋制過程中，板坯中的原始α 晶粒受到外應(yīng)力作用發(fā)生變形，其中形變后的α 晶粒形貌主要受到變形程度、板坯成分以及變形溫度等因素影響，板坯在軋制過程中，隨著變形量的增加，組織中的原始α 晶粒會被壓扁，進而發(fā)生破碎，并且沿著軋制的方向發(fā)生扭曲、拉長[8]。隨著軋制不斷進行，當變形程度達到一定程度后，薄板的組織中會有細長條狀組織形成，這是由于在塑性變形過程中，板坯的基面以及柱面在滑移時，α 晶粒的取向并未改變，僅繞著c軸旋轉(zhuǎn)，此時，錐面產(chǎn)生的滑移與基面和柱面不同，使得α 晶粒產(chǎn)生一定傾斜，傾斜會使α 晶粒產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，進而形成長條狀組織，在隨后的退火處理中，組織中發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，最終形成等軸α 晶粒[9]。

圖2 薄板微觀組織：（a）TD；（b）RD

拉伸性能

圖3 為TA15 鈦合金薄板的室溫拉伸性能，由圖3 可知，薄板TD 與RD 方向的抗拉強度（Rm）分別為1064 與1071 MPa，屈服強度（Rp0.2）分別為1022 與1033 MPa，而兩個方向的斷后伸長率（A）分別為14.5%與15%。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，薄板TD與RD 方向的拉伸性能十分接近，說明薄板組織十分均勻無明顯的各向異性。

圖3 薄板的室溫拉伸性能：（a）抗拉強度與屈服強度；（b）伸長率

在強度方面，薄板具有較高的強度，這是因為板坯在軋制過程中，組織會產(chǎn)生巨大的變形，在點陣內(nèi)部產(chǎn)生較大的畸變能，增加組織中的儲存能，原始晶粒破碎過程中，在晶界位置會有再結(jié)晶產(chǎn)生，在退火過程中形成十分細小均勻的組織，室溫拉伸時，位錯在滑移，細小的晶粒形成較大的阻礙作用，同時細小的晶粒更加容易形成位錯塞積，位錯若要繼續(xù)滑移，則需要更大的外應(yīng)力，導(dǎo)致薄板具有較高的強度[10]。薄板在具有較高強度同時，其具有較高塑性，這是因為組織中的α 晶粒主要以等軸狀為主，等軸α 相的協(xié)調(diào)性好，同時存在較多可開動滑移系，在拉伸過程中，滑移率先在具有較大位向因子的等軸α 相中進行開動，等軸α 相含量越多，拉伸時形成的變形會快速分散到等軸α 晶粒中，避免在極少數(shù)的晶粒中發(fā)生應(yīng)力集中，而導(dǎo)致薄板發(fā)生斷裂，故薄板具有較高的塑性[11]。

斷口形貌

圖4 為薄板的室溫拉伸微觀斷口形貌，由圖4可知，薄板TD 與RD 方向的斷口微觀形貌幾乎一致，二者均由大量等軸狀韌窩構(gòu)成，在尺寸較大的韌窩中包含眾多小韌窩，此斷口形貌具有明顯的韌性斷裂特征，斷口形貌中韌窩的數(shù)量與尺寸代表薄板塑性的高低，當韌窩數(shù)量多，尺寸大時，其塑性高，而韌窩數(shù)量少，且尺寸小，其塑性低。在圖4的斷口形貌中，除包含大量韌窩外，還包含少量的小平面，小平面十分光滑且圓潤，同時發(fā)現(xiàn)一定數(shù)量的二次裂紋，二次裂紋與小平面的出現(xiàn)，表示薄板具有高塑性的同時，還具有較高的強度，這是因為組織中除具有大量等軸晶粒外，還有少量的長條狀晶粒以及殘余β 相，位錯在受到阻礙的同時，還會導(dǎo)致位錯的運動方向發(fā)生少量的偏移所致，這與薄板的實際拉伸性能一致。

圖4 室溫拉伸微觀斷口形貌：（a）TD；（b）RD

結(jié)束語

（1）薄板的組織主要由α 晶粒組成，在各α 晶粒之間存在殘余β 相，α 晶粒的形貌以等軸狀與細長條狀為主，存在一定的軋制加工形貌。

（2）TD 與RD 方向的拉伸性能十分接近，說明薄板組織十分均勻無明顯的各向異性。

（3）斷口微觀形貌均由大量等軸狀韌窩構(gòu)成，具有明顯的韌性斷裂特征，除包含大量韌窩外，還包含少量的小平面，小平面十分光滑且圓潤，同時發(fā)現(xiàn)一定數(shù)量的二次裂紋。