海洋工程航天航空用TA15鈦合金薄板組織與拉伸性能

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異特性，使其在化工、低溫發動機、海洋工程、航天航空等領域均有大量的應用[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，該合金具有優異的可加工性、良好的焊接性能以及熱穩定性能、同時具備較好室溫以及高溫力學性能，在海洋工程、航天航空、發動機葉片等領域均有廣泛的使用，因其應用領域越來越多，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相組織演變規律，結果表明：合金在雙道次熱壓縮加工工程中，降低應變速率、提高變形溫度都會減小變形時的流動應力，而在保溫過程中，合金會產生靜態軟化效應，該效應受到應變速率、變形溫度以及間隙保溫時間等因素影響，此外，發現組織中的α晶粒細化明顯，靜態軟化效應越好，細化越明顯。劉航等人[7] 對TA15鈦合金雙重熱處理三態組織中的片層α尺寸進行了研究，結果表明：獲得三態組織的方法為合金經兩相區加熱后空冷，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，但鑒于工程化應用，新型的生產工藝仍是重要的研究方向，本文研究薄覆疊軋工藝生產大規格TA15鈦合金薄板的組織與力學性能關系，為實際生產提供參考。

1、試驗材料與方法

包覆疊軋工藝制備薄板通常由兩部分構成，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2450mm軋機對TA15鈦合金進行薄復疊軋軋制加工，將TA15鈦合金板坯軋制成厚度為2.5mm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TA15鈦合金鍛件與板材相比，通過薄復疊軋工藝生產的TA15鈦合金薄板，其厚度更薄，退火均勻性更好，可使得TA15鈦合金的使用領域更加廣泛，并增加該合金的工程應用價值。

采用連續升溫金相法，測試TA15鈦合金薄板的相轉變溫度為 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（R_m）、屈服強度（R_p0.2）、斷后伸長率（A），室溫拉伸加工試樣如圖 1 所示。

2、結果與討論

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晶粒受到外應力作用發生變形，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，進而發生破碎，并且沿著軋制的方向發生扭曲、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，此時，錐面產生的滑移與基面和柱面不同，使得α晶粒產生一定傾斜，傾斜會使α晶粒產生旋轉，進而形成長條狀組織，在隨后的退火處理中，組織中發生再結晶現象，最終形成等軸α晶粒[9]。

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（R_m）分別為 1064 與 1071 MPa，屈服強度（R_p0.2）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%。經對比發現，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。

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，組織會產生巨大的變形，在點陣內部產生較大的畸變能，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晶產生，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，位錯若要繼續滑移，則需要更大的外應力，導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相的協調性好，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，避免在極少數的晶粒中發生應力集中，而導致薄板發生斷裂，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量與尺寸代表薄板塑性的高低，當韌窩數量多，尺寸大時，其塑性高，而韌窩數量少，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，同時發現一定數量的二次裂紋，二次裂紋與小平面的出現，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，還會導致位錯的運動方向發生少量的偏移所致，這與薄板的實際拉伸性能一致。

3、結束語

（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，同時發現一定數量的二次裂紋。

參考文獻

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基金項目：自 治 區 重 點 研 發 計 劃 資 助 項 目（2022B01029）；自治區創新環境（人才、基地）建設專項資助項目（2020D14041）。

作者簡介：楊錚（1995—），男，陜西商洛人，本科，鈦合金加工助理工程師，主要從事鈦及鈦合金塑性成型工作。通信地址：新疆湘潤新材料科技有限公司，E-mail：2271236647@qq.com。