飞机结构和发动机用TA15钛合金中板组织与力学性能研究

TA15（Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr）钛合金属于高Al当量的近α型钛合金，其既有α型钛合金良好的热强性和可焊性，又有接近于α-β型钛合金的工艺塑性，长时间工作温度可达500℃，在航空航天等领域得到了广泛应用[1-3]。TA15钛合金半成品主要有板材、棒材、锻件、型材、铸件等，其中板材占有重要地位[4-6]。

随着TA15钛合金在飞机结构和发动机上应用的深入，对板材性能也提出了更为严苛的要求，关于TA15钛合金板材的研究也在不断丰富[7-10]。杨健等[7]研究了不同轧制工艺对TA15钛合金薄板组织及力学性能的影响；刘瑞民等[8]研究了热处理参数对TA15钛合金薄板和厚板拉伸性能和显微组织的影响；王蕊宁等[9]分析了不同火次轧制过程中TA15钛合金板材的组织变化；郭志军等[10]探讨了变形参数对TA15钛合金厚板显微组织及力学性能的影响。但目前关于TA15钛合金中板工业化生产中轧制工艺与组织性能关系的研究仍较为缺乏。

本研究采用3种不同轧制工艺制备TA15钛合金中板，分析不同板材间组织和性能的差异，建立工艺–组织–性能之间的关系，以期为工业化生产TA15钛合金中板工艺的制定与选择提供参考。

1、实验

实验材料为采用真空自耗电弧炉经3次熔炼制备的TA15钛合金铸锭，金相法测定相变点T_β为996℃。铸锭开坯后，采用万吨油压机锻造加工成240mm厚锻坯，其主要化学成分见表1。

采用3种工艺在1200mm四辊可逆式热轧机上轧制锻坯，得到厚度为10.0mm的成品TA15钛合金中板。

一火开坯加热温度为T_β–（20~50）℃，其他火次加热温度为T_β–（30~60）℃，各火次变形量为40%~70%。3种轧制工艺如下：工艺Ⅰ为一次换向+四火次轧制；工艺Ⅱ为二次换向+四火次轧制；工艺Ⅲ为一次换向+三火次大变形轧制。通过对比工艺Ⅰ与工艺Ⅱ，分析换向次数对TA15钛合金中板显微组织和力学性能的影响；通过对比工艺Ⅰ与工艺Ⅲ，分析变形量对TA15钛合金中板显微组织和力学性能的影响。

工艺Ⅰ、工艺Ⅱ和工艺Ⅲ轧制的TA15钛合金中板经840℃/1h/AC退火处理后，标记为样品A、样品B和样品C，分别切取横、纵向试样，进行显微组织观察、室温和高温力学性能检测。金相试样经腐蚀液（5%HF+12%HNO3+83%H2O，体积分数）浸蚀5s后，按照GB/T5168—2008标准在AXIOVERT200MAT金相显微镜下进行组织观察。室温和500℃高温拉伸性能分别按照GB/T228—2002标准和GB/T228.2—2015标准在INSTRON5885电子万能材料拉伸试验机和TSE105D-Z高温拉伸试验机上测试，以3个平行试样的平均值作为测试结果。高温持久性能按照GB/T2039—2012标准在RD-50微控电子式蠕变持久试验机上进行，测试条件分别为：①在500℃/470MPa下持续70.5h；②在500℃/440MPa下持续121h。

2、结果与分析

2.1显微组织

3种TA15钛合金中板显微组织如图1所示。从图1可以看出，3种TA15钛合金中板显微组织均为α+β两相区加工组织，无连续平直的晶界α相，原始β晶界被充分破碎，符合GJB2505A—2008《航空用钛及钛合金板材和带材规范》中对TA15钛合金板材显微组织的要求。

图 13 种 TA15 钛合金中板的显微组织

Fig.1Microstructures of TA15 titanium alloy medium plates: (a) Sample A, transverse; (b) Sample B, transverse; (c) Sample C, transverse,(d) Sample A, longitudinal; (e) Sample B, longitudinal; (f) Sample C, longitudinal

相比之下，样品B初生α等轴化程度较好，样品A次之，样品C出现大量拉长的初生α相。可见，增加换向次数有利于提高TA15钛合金中板初生α相等轴化程度，而大变形轧制使得初生α相拉长程度加剧。采用Image-ProPlus6.0软件对3种TA15钛合金中板初生α相尺寸进行测量统计，结果见表2。从表2可以看出，样品B的初生α相最为细小，尺寸为6.7μm；样品C次之，尺寸为7.9μm；而样品A的初生α相最为粗大，尺寸为9.4μm。这表明增加换向次数或者采用大变形轧制均有助于细化组织，且前者效果更为显著。

2.2室温力学性能

3种TA15钛合金中板的室温拉伸性能如图2所示。从图2可以看出，3种TA15钛合金中板横向抗拉强度、屈服强度和延伸率均高于纵向，结果也均符合GJB2505A—2008标准中对TA15钛合金板材抗拉强度（930~1130MPa）、屈服强度（≥855MPa）和延伸率（≥8%）的要求，且富余量较高。其中，样品A和样品B的横纵向抗拉强度和屈服强度均相差不大，而样品C的横向抗拉强度和屈服强度较低，纵向抗拉强度和屈服强度明显增加。3种TA15钛合金中板的横纵向延伸率差别不大。通过计算可知，样品A、样品B和样品C的横纵向抗拉强度的差值分别为53、72和7MPa，横纵向屈服强度的差值分别为66、77和19MPa，可见样品C的横纵向强度差异最小。这表明换向次数对TA15钛合金中板室温拉伸性能影响不大，而大变形轧制可有效减小TA15钛合金中板横纵向室温强度差异。

图 2 3 种 TA15 钛合金中板的室温拉伸性能

Fig.2 Room temperature tensile properties of TA15 titanium alloy medium plates: (a) tensile strength; (b) yield strength; (c) elongation

研究[11-13]认为，板材轧制后横纵向力学性能差异是由于材料在不同方向上的滑移能力不同造成的，而不同方向上的滑移能力与轧制后的织构密不可分。Gey等[14]对织构类型及其形成机制研究发现，当初生α相与β相保持Burger’s取向关系时，在热轧变形后的冷却过程中，β→α相变将优先形成特定取向的α相，从而导致局部变形织构被保留；而当大变形充分破坏了初生α相与β相之间的Burger’s取向关系时，将减少织构的形成。因此，相对于样品A和样品B，采用大变形轧制的样品C变形更为充分，其织构强度弱，故而横纵向力学性能差异较小。

2.3高温力学性能

2.3.1高温拉伸性能

3种TA15钛合金中板在500℃高温下的抗拉强度如图3所示。从图3可以看出，3种TA15钛合金中板的高温抗拉强度均符合GJB2505A—2008要求（500℃高温抗拉强度≥635MPa），且富余量较高。与室温抗拉强度变化一致，样品A在500℃的高温横纵向抗拉强度与样品B相差不大，且2种板材横纵向抗拉强度差值均为66MPa。而与样品A和样品B相比，样品C横向高温抗拉强度降低，纵向增大，其横纵向抗拉强度差异明显较小，仅为6MPa。该结果同样表明，换向次数对TA15钛合金中板高温拉伸性能的影响不大，而大变形轧制有利于横纵向高温抗拉强度差异的减小。

图 3 TA15 钛合金中板的 500 ℃高温抗拉强度

Fig.3High temperature tensile strength at 500 ℃ of TA15 titanium alloy medium plates

2.3.2高温持久性能

在500℃/470MPa条件下，3种TA15钛合金中板的持久性能检测结果显示，横纵向试样均可保持70.5h未发生断裂，表现良好。

在500℃/440MPa条件下，3种TA15钛合金中板的持久性能见表3。从表3可以看出，样品A和样品B均有1个纵向试样提前断裂，其余2个纵向试样和3个横向试样保持121h未发生断裂；样品C横纵试样均保持121h未发生断裂。由此可见，采用一次换向+三火次大变形轧制的样品C持久性能最佳。

3、结论

(1)分别采用一次换向+四火次轧制、二次换向+四火次轧制和一次换向+三火次大变形轧制工艺制备出10.0mm厚TA15钛合金中板，其组织均为α+β两相区加工组织。采用二次换向+四火次轧制的样品B初生α相最为细小，等轴化程度最高，而采用一次换向+三火次大变形轧制的样品C初生α相大小次之，但其拉长程度最为显著。

(2)3种TA15钛合金中板横纵向室温拉伸性能和500℃高温拉伸性能均符合GJB2505A—2008标准中对TA15钛合金板材的要求。采用一次换向+三火次大变形轧制的样品C室温抗拉强度、屈服强度及500℃高温抗拉强度横纵向差异最小。

(3)3种TA15钛合金中板在500℃/470MPa条件下的持久性能均表现良好，而在500℃/440MPa条件下采用一次换向+三火次大变形轧制的样品C持久性能最佳。

(4)工业化生产中要获得初生α相细小、等轴化程度高的TA15钛合金中板时，可优先选用二次换向+四火次轧制工艺；而需要获得力学性能横纵向差异较小、持久性能更为稳定可靠的TA15钛合金中板时，可优先选用一次换向+三火次大变形轧制工艺。

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