α相形態與含量對TA15鈦合金力學性能的影響

薛 強，彭雯雯，曾衛東

(1.陜西宏遠航空鍛造有限責任公司，陜西 咸陽 713801)(2.西北工業大學 凝固技術國家重點實驗室，陜西 西安 710072)

α相形態與含量對TA15鈦合金力學性能的影響

薛 強1，彭雯雯2，曾衛東2

(1.陜西宏遠航空鍛造有限責任公司，陜西 咸陽 713801)(2.西北工業大學 凝固技術國家重點實驗室，陜西 西安 710072)

通過對比分析具有不同初生α相含量和次生α相形態的TA15鈦合金的力學性能，對該合金初生α相含量及次生α相形態與力學性能之間的關系進行了初探。結果表明：TA15鈦合金中初生α相含量和次生α相的形貌對強度有較大的影響，對塑性的影響則不明顯。初生α相含量增加，合金強度有所下降。當初生α相含量高于40%后，含量再增加對合金塑性提升并無益處。片層α相厚度增加和其排列有序度的增強使合金的強度有所提升，但片層α相厚度的進一步增加會使合金的強度下降。

TA15鈦合金；等軸α相；片層α相；力學性能

0 引 言

TA15鈦合金是一種與俄羅斯研制的BT20鈦合金成分相近的高鋁當量的近α型鈦合金，其名義成分為Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V。該合金兼有α型和(α+β)型鈦合金的特點，具有較高的抗蠕變性、耐腐蝕性以及良好的焊接性能，并具有較高的室溫及中溫強度和良好的熱穩定性，長時間工作溫度可達500 ℃，工藝塑性接近于(α+β)型鈦合金，可制成板材、棒材、型材和鍛件等航空航天領域用的結構件[1-2]。眾所周知，鈦合金的顯微組織決定了其力學性能，而除了要求顯微組織的均勻性外，對其組織參數(如β晶粒尺寸D、α集束尺寸d、α片層厚度b和初生α相的比例及形貌)的合理匹配也有著較高的要求，顯微組織的控制對鈦合金零件性能提升發揮著重要作用[2-3]。因此，如何控制TA15鈦合金組織參數并保證產品力學性能，對于成功研制航空航天用結構件具有重要意義。

國內學者對TA15鈦合金的組織和性能做了初步研究，主要集中在焊接性能、疲勞性能[4-8]以及熱加工工藝優化方面[9-11]，而對于該合金初生α相含量以及次生α相形態對TA15鈦合金力學性能影響的研究較少。因此，本研究對比分析具有不同初生α相含量和次生α相形態的TA15鈦合金的力學性能，對初生α相含量及次生α形態與力學性能之間的關系進行了初探，從而為TA15鈦合金零件的生產提供指導。

1 實 驗

實驗用原材料為經α+β兩相區鍛造后所得的6種TA15鈦合金棒材，其化學成分(w/%)為：Al 6.3，Zr 1.97，Mo 1.4，V 1.4，O 0.08，N 0.01，Ti余量。其β相轉變溫度為990 ℃。沿6種棒材軸向分別切取試樣，編號為1#～6#，并進行金相組織觀測和力學性能測試。金相試樣為φ5 mm×10 mm的小圓柱，經過粗磨、細磨和粗拋、細拋，隨后用V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶3∶7的腐蝕劑腐蝕，在OLYMPUS PMG3金相顯微鏡下選區拍照，以觀測其顯微組織。拉伸試樣根據GB/T 228—2002加工成標距為50 mm的標準試樣，并在SUN20電子萬能拉伸試驗機進行力學性能測試。

2 結 果

2.1 顯微組織

棒材在α+β兩相區進行鍛造，故所討論的組織均為初生α+β轉的混合組織，只是初生α相含量和次生α相形態及厚度有所不同，如圖1和表1所示。

圖1 不同試樣的顯微組織Fig.1 Microstructures of different samples

表1 不同試樣等軸初生α相含量和片層α相厚度

Table 1 Content of primaryαphase and thickness ofαlayer with different samples

由圖1可以看出，1#試樣和3#～6#號試樣均為雙態組織，由等軸初生α相、片層次生α相和β殘相組成。其中，1#、3#和4#試樣的等軸初生α相含量均為40%，只是次生α相形態及厚度表現各異。1#試樣的片層次生α相較細，約為0.62 μm，排列具有一定方向性但還是較亂(圖1a)，而3#試樣的片層次生α相厚度有所增加，約為1.84 μm，且片層α相排列整齊具有較好的方向性(圖1c)，4#試樣片層α最為混亂(圖1d)。5#和6#試樣的等軸初生α相含量有所增加，約為45%，而片層次生α相排列均較為一致，具有較好的方向性(圖1e和f)，6#試樣片層α厚度(2.18 μm)較5號試樣的厚(1.71 μm)。與上述試樣相比較，2#試樣等軸初生α相含量最多，達到60%,為典型的等軸組織，顯微組織中存在少量的片層α相，其厚度約為1.35 μm，如圖1b所示。

2.2 力學性能

組織決定性能，具有不同初生α相含量和片層次生α形態及厚度的試樣呈現出不同的力學性能，如表2所示。由表2可知，其中等軸初生α相含量為40%且片層α方向性最好的3#試樣具有最好的力學性能，其抗拉強度和屈服強度分別為1 017 MPa和957 MPa，延伸率和斷面收縮率分別為15.5%和48.5%。然而，具有最多等軸初生α相含量(60%)的2#試樣強度明顯下降，其抗拉強度和屈服強度分別為944 MPa和861 MPa，而塑性較為穩定，延伸率和斷面收縮率分別為17%和47%。由此可見，初生α相含量和次生片層α形態及厚度對TA15鈦合金的抗拉強度和屈服強度影響較大，而對延伸率和斷面收縮率影響較小，其具體影響機制將在下節進行闡述。

表2 不同試樣的力學性能

Table 2 Mechanical properties of different samples

3 分析與討論

3.1 初生α相含量對力學性能的影響

圖3為不同初生α相含量下TA15鈦合金的力學性能。由圖3可知，初生α相含量對TA15鈦合金的抗拉強度和屈服強度影響較大，而對延伸率和斷面收縮率影響較小。初生α相含量從40%提高至60%時，試樣的抗拉強度從1 017 MPa下降至944 MPa，屈服強度從957 MPa減少為861 MPa，兩者降幅分別高達7.2%和10.0%。而延伸率和斷面收縮率波動較小。其抗拉強度的減小與晶界處位錯塞積程度下降有關。隨著初生α相含量增加，片層α相含量相對減小，片狀組織中由于同一α束具有相同的慣習面，位錯能毫無阻礙地穿過互相平行的α束，垂直滑距長，易出現粗滑移帶和微區變形不均勻，在晶界處易產生嚴重的位錯塞積，然而片層α相含量減少則會引起位錯塞積程度下降，因而合金表現出較低的強度[12]。另一方面，試樣塑性基本保持不變的原因與其初生α相含量均高于40%有關。王金友等人[13]指出，當鈦合金中初生α相含量超過20%后，其含量的增加對合金塑性并無太大的提高作用。王玉會等人[14]在研究不同變形量TA15鈦合金的熱處理行為時，也得到類似的結論，即初生α相含量20%以上時塑性基本保持不變。

圖2 不同初生α相含量的TA5鈦合金的力學性能Fig.2 Mechanical properties of samples with different content of primary α phase

3.2 片層α相形態和厚度對力學性能的影響

除初生α相含量對TA15鈦合金的力學性能有影響外，片層次生α相形態及厚度對合金力學性能也有較大影響。為排除初生α相含量的干擾，本研究選取具有相同初生α相含量(均為40%)的1#、3#和4#試樣來進行次生片層α相形態及厚度對合金力學性能影響的研究。圖3為不同片層α相厚度對合金力學性能的影響。從圖中可以看出，隨著片層α相厚度的增加，合金的強度都有所增加，抗拉強度由949 MPa增加至1 017 MPa，屈服強度從由874 MPa上升到957 MPa，增加幅度分別為7.2%和9.5%。但塑性指標(延伸率和斷面收縮率)基本保持不變。另外，從圖1中可以看出，試樣片層α相排列的有序度從4#試樣的雜亂無章到1#試樣的部分有序，再到3#試樣的較為有序，有序度逐步增加，試樣對應的強度也逐漸增加。由此可見，合金片層α相厚度和排列有序度的增加，有利于合金強度的提高。其原因與片層α相厚度增加導致位錯穿過片層α相所需的能量增加，且方向性的增強也增加了位錯滑移的距離，增加了位錯塞積的長度和程度，因而合金的強度有所提升。但并不是片層α相厚度越厚越有利，當片層α相厚度超過一定值時合金的強度也會降低。從5#和6#試樣可以看出，兩者初生α相含量相近，次生α相取向也較為一致，而6#試樣中次生片狀α相厚度較5#試樣的厚，合金的強度有所下降，表明次生α相厚度增加到一定程度后會使得材料的強度降低。至于不同片層α相厚度下TA15鈦合金塑性的不顯著變化仍與其40%等軸初生α相含量有關。

圖3 不同片層α相厚度的TA15鈦合金的力學性能Fig.3 Mechanical properties of samples with different thickness of α platelets

4 結 論

(1)初生α相含量和次生片層α相形態及厚度對TA15鈦合金的抗拉強度和屈服強度影響較大，而對延伸率和斷面收縮率影響較小。

(2)初生α相含量增加，合金的強度有所下降，且與晶界處位錯塞積程度下降有關。初生α相含量高于40%后，初生α相含量增加對合金塑性提升并無益處。

(3)片層α相厚度增加和其排列有序度的增強使合金的強度有所提升，但片層α厚度的進一步增加會使合金的強度下降。

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Effect of Alpha Phase Morphology and Content on Properties of TA15 Titanium Alloy

Xue Qiang1，Peng Wenwen2，Zeng Weidong2

(1.AVIC Shaanxi Hongyuan Aviation Forging Co.，Ltd.,Xianyang 713801,China)(2.State Key Laboratory of Solidification Processing,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China)

The effects of different primaryαcontents and secondaryαmorphologies on properties of TA15 titanium alloy were investigated by analyzing the properties of samples with different α phase morphologies and contents. The results show that the content of primaryαand the morphology of secondaryαhave a great effect on the properties of TA15 titanium alloy, but have no obviously effect on ductility. With increasing content of primary α, the strength decreases slightly, whereas the content of primaryαis above 40%, the elongation and area reduction are nearly unchanged. The high orientation consistency ofαplatelets is helpful to the strength of TA15 titanium alloy, but the coarsen ofαphase will decline strength of the alloy.

TA15 titanium alloy; equiaxedα;αplatelets; mechanical properties

2014-05-25

新世紀優秀人才支持計劃(NCET-07-0696)

薛強(1970—)，男，高級工程師。