不同熱處理溫度對TA15鈦合金棒材組織和力學性能的影響

TA15鈦合金屬于中強度鈦合金，是一種通用型高 Al當量近α型鈦合金，其名義成分為 Ti-6AL-2Zr-1Mo-1V。其具有較高的比強度、抗蠕變性、耐腐蝕及良好的焊接性能，被廣泛應用于航空領域[1，2]。TA15 鈦合金通常是在退火狀態下使用，合金的相組成是以α相為機體，含有少量β相，其主要強化機制是α穩定元素 Al 的固溶強化[3]，通常認為不能通過熱處理進行強化，但是在退火態合金中的β相含量與 TC4 中β相的含量比較接近，也有文獻介紹通過熱處理可以提高該合金的室溫強度[4]，可見 TA15 鈦合金還是存在熱處理強化的可能性。本文主要是對大規格TA15鈦合金棒材在 750℃ ~980℃內退火，對其室溫拉伸性能，沖擊性能及顯微組織的影響規律。

1、 實驗材料和方法

本文實驗所用材料為寶雞鈦業股份熔煉的TA15鈦合金鑄錠(3次VAR熔煉)，其主要化學成分：Al ：6.7%~6.9%，Mo ：1.8%~1.9%，Zr ：2.2%~2.4%，V ：2.2%~2.3%，O ：0.10%~0.11%，其余為 Ti。經β相區開坯鍛造，α+β 相區多火次鍛造成規格為 Φ300mm 棒材。棒材鍛態組織如圖1 所示。在該棒材上截取樣段進行不同退火溫度的熱處理試驗，其方案如表 1 所示。熱處理后，按照國標測試其室溫拉伸性能及沖擊吸收功，為研究不同退火溫度對其顯微組織的影響，采用 Axiovert 200MAT 光學顯微鏡觀察了 TA15 鈦 合金在不同溫度下退火的組織形貌及初生α含量。

2 、結果與分析

2.1 不同退火溫度對 TA15 鈦合金顯微組織影響

由圖 2 可以看出，該合金在相變點以下較低溫度熱處理得到等軸組織 , 主要由初生等軸α相和轉變β相組成（如圖 2(a)、(b)），750℃，800℃熱處理組織同鍛態組織相比無明顯區別。TA15 鈦合金的再結晶開始溫度為 800℃左右，終了溫度為 950℃左右[5]，因此圖中 (a)(b) 顯微組織同鍛態組織類似，主要發生回復過程。在 800℃以上熱處理，TA15合金不僅會發生α相和β相的再結晶，還會發生亞穩β相的分解及次生α相的析出（如圖 (g)）, 在 850℃下退火，顯微組織中有明顯的針狀次生α相析出，且對比圖 (c) ～ (g)，其初生等軸α相等軸化程度提高，初生α相含量略有降低，次生α相增多。

該合金在相變點以下較高溫度范圍內熱處理后，得到的組織為雙態組織，由初生等軸α相 + 次生α相 + 殘余β相組成。由圖 2 可以看出，從退火溫度由 850℃升高到 940℃，

初生α含量驟降，由 55% 降為 30%。次生α相大量增加，且次生α長大并粗化。退火溫度由 940℃升高到 970℃，其初生α相由 30% 降為 3%，針狀次生α相粗化、長大、變得平直，形成較厚的α片層。當退火溫度為 980℃時，初生等軸α相全部溶解，由條狀α相 +β 轉變組織構成，存在斷續的α晶界。

2.2 不同退火溫度對 TA15 鈦合金力學性能的影響

2.2.1 退火溫度對室溫拉伸性能的影響

由圖 3(a) 可以看出，在相變點以下較低溫度 750℃ ~850℃范圍內退火，隨著退火溫度的升高，抗拉強度及屈服強度均呈現先升高后降低的趨勢，均是在840℃時達到峰值，抗拉強度達到1065MPa，屈服強度達到952MPa，由840℃升高到850℃時，抗拉強度及屈服強度均有所降低。750℃和800℃下的強度差異大不，是由于該溫度下合金主要發生了回復過程。隨著退火溫度繼續升高，強度明顯提高。在850℃~960℃溫度范圍內退火，隨著退火溫度升高，抗拉強度和屈服強度均略有提高，在970℃到980℃時，強度發生驟降。這與其顯微組織形態密不可分。在800℃~950℃退火時，合金同時發生再結晶軟化和次生α相的強化作用，因而合金的性能取決于這兩種因素在何時起主要作用。在800-850℃范圍內，次生α相起主導作用，因而在840℃達到峰值。在940℃～970℃之間，其組織均為雙態組織，析出的次生α相不再是少量而是大量的析出，且明顯長大并粗化，對合金的強化作用減弱，再結晶軟化作用起主導地位，因此，合金的強度隨著溫度的升高略有降低。

由圖 3(b) 可以看出，在相變點以下較低溫度 750℃ ~850℃范圍內退火，隨著退火溫度的升高，其斷后伸長率和斷面收縮率變化不大，和強度呈相反規律。但是在相變點以下較高溫度940℃~960℃時，其塑性增加較為明顯。在940℃時，退火溫度已基本接近TA15鈦合金的再結晶終了溫度，提高退火溫度，原子的熱運動更加劇烈，從而使合金內部的位錯堆積等缺陷迅速消失，變形畸變能得以迅速釋放，合金內部變形缺陷完全消除，所以合金強度下降，塑性又進一步得到提高。由960℃升高到980℃，其塑性驟降。這是次生α相和初生α相綜合作用的結果。

2.2.2 退火溫度對沖擊性能的影響

由圖 4 可以看出，在相變點以下較低溫度 750℃ ~850℃內退火，除 750℃和 850℃兩個點沖擊偏低，其余溫度下沖擊性能變化不明顯。但是退火溫度升高到相變點以下較高溫度 940℃時，沖擊性能明顯提升，這是因為隨著退火溫度的升高，初生α相逐漸減少，次生α相增多且由針狀長成條狀。隨著退火溫度繼續升高，950℃ ~970℃，次生α相逐漸由長條狀長成短棒狀或圓形，從而導致沖擊性能有所降低。

但是在相變點以下較高溫度退火，940℃ ~970℃下退火沖擊功的平均值比在 750℃ ~850℃下退火提高了 36%，符合雙態組織的沖擊性能高于等軸組織。

3、 結論

（1）TA15 鈦合金在相變點以下較低溫度退火得到等軸組織，在較高溫度退火得到雙態組織。

（2）在 750℃ ~850℃范圍內退火，隨著退火溫度的升高，強度呈現先升高后降低的趨勢，在 840℃達到峰值 ；其斷后伸長率和斷面收縮率變化不大，和強度呈相反規律。

（3）相變點以下高溫區（940℃ ~970℃）退火的強度略低于低溫區（750℃ ~850℃），而沖擊韌性遠高于高溫區，即雙態組織的沖擊韌性高于等軸組織。

（4）在 750℃ ~980℃范圍內退火，隨著退火溫度的升高，再結晶過程更為充分，初生α含量逐漸減少，次生α相逐漸析出，長大并粗化。

參考文獻：

[1]謝英杰，付文杰，王蕊寧等 . 熱處理對 TA15 鈦合金中厚板材組織及力學性能的影響 [J]. 鈦工業進展，2013，33（6）：26-29.

[2]呂逸帆，孟祥軍，李士凱等 . 退火熱處理對 TA15 鈦合金組織性能的影響 [J]. 材料開發與應用，2009，24(5) ：7-11.

[3]沙愛學，李興無，儲俊鵬等 . 熱處理工藝對 TA15 鈦合金沖擊性能的影響 [J] . 稀有金屬，2006，30（6）：26-29.

[4]張雷 .TA15 合金高溫塑性行為及微觀組織模擬研究 [D]，2013 ：2-8.

[5]張晶宇 , 楊延清 , 陳 彥等 . 退火對 TA15 鈦合金組織與性能的影響 [J]金屬熱處理，2003，28（3）：45-48