不同退火温度对航空航天领域用TA15钛合金厚板组织与力学性能的影响分析

钛合金具有众多优异的性能,例如高的比强度、优异的耐腐蚀性能、无磁等,经过七十余年的发展,已经成为三大轻金属结构材料之一。钛合金材料可用来加工制作成各种类型的成形件,如板材、棒材、管材以及锻件等,具有良好的加工性能[1-2]。

TA15钛合金作为众多牌号钛合金的一种,属于中高温钛合金,具有良好的耐高温性能、耐腐蚀性能和高强度等优点。TA15钛合金属于近α钛合金,具有优异的室温性能,其450~500℃高温性能高于TC4钛合金,在飞机和航空发动机上有广泛应用,主要用来制造飞机隔筐、壁板等工作温度较高、受力较复杂的重要结构零件。因此,TA15钛合金在航空航天领域中的应用更加广泛[3]。本文旨在研究通过确定相变点后,采用不同热处理制度对热轧成形的钛合金厚板进行处理,观察并分析其高倍组织的变化和性能的波动,以获得最优的处理方式。

1、实验过程

1.1　实验材料

实验材料选取成分符合GJB2505A—2018[4]的钛合金铸锭进行生产实验,经锻造成形的TA15(Ti-6.7Al-1.8Mo-2.2V-2.2Zr-0.13O)钛合金板坯,其尺寸规格为230mm×1300mm×950mm,化学成分见表1。

表 1 TA15 钛合金主元素的化学成分（%，质量分数）

Table 1 Chemical compositions of main elements in TA15 titanium alloy（%，mass fraction）

实验选用2800mm四辊可逆轧机,轧制力达到55000kN,确定最终生产规格为40mm×1700mm×3000mm的TA15钛合金厚板。对最终轧制生产出的板材进行在线余温多辊矫直并快速风冷至室温。

1. 2　工艺方案

为了满足降低材料成本和提高综合性能的双目 标, 最终确定采用多火次镦拔锻造来提高综合性能, 并采用短流程轧制生产来降低材料成本。 将 3 t 铸 锭进行中分切锻造, 采用 4500 t 快锻机 β 相区 (加 热温度为 1050 ~ 1150 ℃ , 保温 7 ~ 9 h) +两相区 (加热温度为 920 ~ 970 ℃ , 保温 4 ~ 6 h) 多火次镦 拔锻造工艺, 保证锻造比不小于 5 ~ 7, 最终加工至 (190~220) mm×900 mm +100 ×1400 mm +100 的待轧制 板坯后进行轧制生产, 金相组织如图 1 所示。 钛合 金板材轧制工艺为: 一火加热至 920 ~ 930 ℃ , 保温 5~6 h 后进行开坯轧制, 进行 8 ~ 12 道次轧制后进 行回炉补温 (920~930 ℃并保温 2~3 h), 完成补温 后进行换向轧制, 进行 3~ 6 道次轧制后再进行短保 温换向, 轧制出最终成品板。 成品板经过在线余温 多辊矫直机的矫直后, 到达冷床进行风冷至室温。

1.3　实验方案

TA15钛合通过于α稳定元素Al进行固溶强化,属于高Al当量的近α合金,它具有α合金所具备的良好的热强性和可焊性。TA15钛合金的相转变温度一般在980~1015℃左右,通常在退火态下使用,其退火态和TC4钛合金相近,所以理论上存在TA15钛合金热处理强化的可能性。TA15钛合金常用退火温度为780~850℃,金相法测得板材相变点在996℃,为了探究短流程制备的TA15钛合金性能区间,选取轧制态以及800、830、850、920和940℃/1h这6个热处理制度进行对比实验[5-6]。

2、结果与讨论

2.1　热处理板材金相组织对比

选取成品板线切割为40mm×100mm×100mm的试样进行热处理实验,完成后进行金相与性能检测。观察不同退火温度下的微观组织形貌,如图2所示。TA15钛合金板材热轧态的显微组织由等轴状α相、长条状α相及少量的β组织组成。分析认为TA15钛合金板材在两相区轧制时,由于在高温下长时间加热,使得处于有利取向的晶粒迅速长大;在板材轧制时,板材上下表面受到强烈的剪切力,晶粒破碎较为充分,而位于板材中心的部位,受力状况越接近于平面应力状态,受到的剪切力较小,因此,板材中心的晶粒不容易破碎,最终一部分中心区域的长条状组织被保留下来,呈现出等轴状α相和长条状α相[7]。

经过退火后的TA15钛合金板材组织均呈现出典型的两相区加工组织,原始β晶粒充分破碎,无连续的晶界α相存在。随着板材经过退火处理,组织发生回复,部分长条状α相球化为等轴状α相,组织呈现为球状α相、少量的长条状α相及β转变组织。此外,随着退火温度的升高,初生α相向β相溶解,在随后的空冷中β相发生多型性转变,析出片层状次生α组织,片层状次生α组织累积形成α集束,残余的β相位于次生α片层中间,α集束与残余的β相形成β转变组织。通过对照GJB2505A—2018[4]中TA15图谱进行评级可以发现,在800~940℃退火的板材组织中,评级呈现出3~8级的状态,均满足GJB2505A—2018[4]中对于厚度为40mm的TA15钛合金板材的微观组织要求。

TA15钛合金板材在较低温度退火时,首先发生回复过程,表现为位错减少,加工硬化效果减弱,随着板材退火温度的提高,长条状α相发生“球化”,即再结晶;随着退火温度的进一步提高,微观组织中初生α相向β相溶解,初生α相含量减少,在随后的冷却过程中β基体上析出片层状次生α相[8]。

2.2　成品板材性能检测对比

图3a、图3b为不同温度下试样的力学性能,可以更为直观地看出在不同温度下性能变化情况。

如表2所示,将完成热处理后的6组试样,参照GJB2505A—2018[4]进行力学性能检测。室温拉伸性能结果满足标准要求,且伸长率和断面收缩率提高的幅度很大;另外,在此基础性能检测之上加测了冲击韧性和断裂韧度,结果也表明板材在抵抗冲击载荷时的能力和抵抗宏观裂纹失稳扩展时的能力水平较高[9]。分析认为,随着退火温度的升高,再结晶程度进一步提升,当热处理温度来到830℃时,板材内α组织进一步球化,等轴α相比例增加,板材的残余应力进一步得到释放,组织更加均匀。而等轴α组织比例增加,提升了材料的塑性,其与板材的微观组织形貌也是一致的。室温拉伸强度达到最高匹配值。此外,随着退火温度的提高,再结晶体积分数上升,降低了材料轧制过程中产生的加工硬化效果[10]。

表 2 钛合金板材热处理后力学性能对比 Table 2 Comparison of mechanical properties for titanium alloy plates after heat treatment

由表2可知,随着退火温度的提高,板材室温冲击和断裂韧度性能基本上呈上升趋势。分析认为:首先,这是由于更高温度的退火使得材料发生了更充分的回复与再结晶,改善了材料内部的缺陷和残余应力,避免了裂纹的萌生;其次,更高温度的退火形成了尺寸更大的α组织,对于裂纹的扩展起到阻碍作用,使得裂纹必须绕过α组织,增加了裂纹扩展的路径,提升了材料的性能,故结果远高于GJB2505A—2018的要求[11-12]。

2.3　成品板材超声波检验

对TA15钛合金板材采用接触法进行双面超声波检验,板材仪器型号为USM100。探头采用129FI×13,水作为探伤耦合剂,校准试样采用Φ1.2mm的通孔直径,检验结果如图4所示。

图4中横向坐标代表厚度方向传播距离,纵向坐标代表反射信号强度。板材探伤结果显示:板材的噪声水平在-20~-12dB内波动,未发现超标缺陷反射波信号[13],满足GJB2505A—2018[4]对于TA15(B类)板材噪声-9dB的要求;其次,杂波水平的高低与板材的微观组织的均匀程度密切相关,这也反映了板材的微观组织分布均匀。

3　结论

(1)对比不同温度的退火制度,均呈现出典型的两相区加工组织,原始β晶粒充分破碎,无连续的晶界α相存在,其中经830℃退火的微观组织的均匀性更好。

(2)对比不同温度的退火制度,整体室温拉伸性能以及室温冲击和断裂韧度,均能够满足GJB2505A—2018的要求,其中,经830℃退火试样的室温拉伸性能综合表现较好。室温冲击和断裂韧度随着退火温度的升高而逐步提升,整体均大幅度地满足标准要求。

(3)短流程制备的TA15钛合金板材能够满足标准的超声探伤要求,且杂波水平远远低于标准要求的-9dB。

参考文献

[1] 裴秋旭，梁文萍，缪强，等. TA15 合金在不同温度下的氧化行为 [J]. 热处理，2015，30 (4): 13-17. Pei Q X，Liang W P，Miao Q，et al. Oxidation behavior of TA15 alloy at different temperatures [J]. Heat Treatment，2015，30 (4): 13-17.

[2] 王希哲，惠松骁，叶文君，等. TA15 钛合金热轧厚板织构研究 [J]. 稀有金属材料与工程，2005，34 (s3): 386-388. Wang X Z，Hui S X，Ye W J，et al. Study on microstructure of hot rolled TA15 titanium alloy thick plate [J]. Rare Metal Materials and Engineering，2005，34 (s3): 386-388.

[3] 张启飞，金淼，王皓宇，等. TA15 钛合金两相区热变形过程中 α-β 动态相变行为及热力学评价 [J]. 中国有色金属学报，2022，32 (11): 3331-3340. Zhang Q F，Jin M，Wang H Y，et al. Dynamic α-β transformation behavior and thermodynamic evaluation of TA15 titanium alloy during hot deformation in two-phase regions [J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2022，32 (11): 3331-3340.

[4] GJB 2505A-2018，航空用钛及钛合金板材和带材规范 [S]. GJB 2505A-2018，Specification for titanium and titanium alloy plate，sheet and strip for aviation [S].

[5] 王哲，何健，张帅，等。锻造设备对 TA15 钛合金显微组织及性能的影响研究 [J]. 钢铁钒钛，2022，43 (1): 80-84. Wang Z，He J，Zhang S，et al. Influence of forging equipment on microstructure and mechanical properties of TA15 titanium alloy [J]. Iron Steel Vanadium Titanium，2022，43 (1): 80-84.

[6] 鲍利索娃。钛合金金相学 [M]. 陈石卿译。北京：国防工业出版社，1986. Pauli Sowa. Metallography of Titanium Alloy [M]. Translated by Chen Shiqing. Beijing: National Defense Industry Press，1986.

[7] 姚彭彭，李萍，李成铭，等. TA15 钛合金 β 热变形行为及显微组织 [J]. 稀有金属，2015，39 (11): 967-974. Yao P P，Li P，Li C M，et al. Hot deformation behavior and microstructure of TA15 titanium alloy in β field [J]. Chinese Journal of Rare Metals，2015，39 (11): 967-974.

[8] 陈冬梅，黄森森，贺飞，等. Fe 元素对 TA15 钛合金显微组织和力学性能的影响 [J]. 钛工业进展，2017，34 (2): 14-18. Chen D M，Huang S S，He F，et al. Effects of Fe on the microstructure and mechanical properties of TA15 titanium alloy [J]. Titanium Industry Progress，2017，34 (2): 14-18.

[9] 吕逸帆，孟祥军，李士凯，等。退火热处理对 TA15 钛合金组织性能的影响 [J]. 材料开发与应用，2009，24 (5): 7-11. Lyu Y F，Meng X J，Li S K，et al. Effect of annealing heat treatment on microstructure and properties of TA15 titanium alloy [J]. Materials Development and Application，2009，24 (5): 7-11.

[10] 骆雨萌，刘金旭，李树奎，等。热轧 TC4 钛合金力学性能各向异性及影响因素分析 [J]. 稀有金属材料与工程，2014，43 (11): 2692-2696. Luo Y M，Liu J X，Li S K，et al. Anisotropy of mechanical properties of hot rolling TC4 titanium alloy and influencing factors [J]. Rare Metal Materials and Engineering，2014，43 (11): 2692-2696.

[11] 王幸运，杨铮，赵小龙。不同热处理制度对 Gr. 38 钛合金板材的组织性能的影响 [J]. 锻压技术，2024，49 (3): 202-206. Wang X Y，Yang Z，Zhao X L. Influence of different heat treatment systems on microstructure and properties of Gr. 38 titanium alloy plate [J]. Forging & Stamping Technology，2024，49 (3): 202-206.

[12] 张旺峰，曹春晓，李兴无，等. β 热处理 TA15 钛合金对力学性能的影响规律 [J]. 稀有金属材料与工程，2004 (7): 768-770. Zhang W F，Cao C X，Li X W，et al. Effect of β heat treatment on mechanical properties of TA15 titanium alloy [J]. Rare Metal Materials and Engineering，2004 (7): 768-770.

[13] 王玉弟，李保先，刘恒，等。大型铝镁合金法兰盘镦冲成形超声探伤缺陷分析及控制 [J]. 锻压技术，2023，48 (8): 11-16. Wang Y D，Li B X，Liu H，et al. Ultrasonic flaw detection analysis and control on a large-scale aluminum-magnesium alloy flange in upsetting and punching process [J]. Forging & Stamping Technology，2023，48 (8): 11-16.