不同热处理温度对TA15钛合金棒材组织和力学性能的影响

TA15钛合金属于中强度钛合金，是一种通用型高 Al当量近α型钛合金，其名义成分为 Ti-6AL-2Zr-1Mo-1V。其具有较高的比强度、抗蠕变性、耐腐蚀及良好的焊接性能，被广泛应用于航空领域[1，2]。TA15 钛合金通常是在退火状态下使用，合金的相组成是以α相为机体，含有少量β相，其主要强化机制是α稳定元素 Al 的固溶强化[3]，通常认为不能通过热处理进行强化，但是在退火态合金中的β相含量与 TC4 中β相的含量比较接近，也有文献介绍通过热处理可以提高该合金的室温强度[4]，可见 TA15 钛合金还是存在热处理强化的可能性。本文主要是对大规格TA15钛合金棒材在 750℃ ~980℃内退火，对其室温拉伸性能，冲击性能及显微组织的影响规律。

1、 实验材料和方法

本文实验所用材料为宝鸡钛业股份熔炼的TA15钛合金铸锭(3次VAR熔炼)，其主要化学成分：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%，其余为 Ti。经β相区开坯锻造，α+β 相区多火次锻造成规格为 Φ300mm 棒材。棒材锻态组织如图1 所示。在该棒材上截取样段进行不同退火温度的热处理试验，其方案如表 1 所示。热处理后，按照国标测试其室温拉伸性能及冲击吸收功，为研究不同退火温度对其显微组织的影响，采用 Axiovert 200MAT 光学显微镜观察了 TA15 钛 合金在不同温度下退火的组织形貌及初生α含量。

2 、结果与分析

2.1 不同退火温度对 TA15 钛合金显微组织影响

由图 2 可以看出，该合金在相变点以下较低温度热处理得到等轴组织 , 主要由初生等轴α相和转变β相组成（如图 2(a)、(b)），750℃，800℃热处理组织同锻态组织相比无明显区别。TA15 钛合金的再结晶开始温度为 800℃左右，终了温度为 950℃左右[5]，因此图中 (a)(b) 显微组织同锻态组织类似，主要发生回复过程。在 800℃以上热处理，TA15合金不仅会发生α相和β相的再结晶，还会发生亚稳β相的分解及次生α相的析出（如图 (g)）, 在 850℃下退火，显微组织中有明显的针状次生α相析出，且对比图 (c) ～ (g)，其初生等轴α相等轴化程度提高，初生α相含量略有降低，次生α相增多。

该合金在相变点以下较高温度范围内热处理后，得到的组织为双态组织，由初生等轴α相 + 次生α相 + 残余β相组成。由图 2 可以看出，从退火温度由 850℃升高到 940℃，

初生α含量骤降，由 55% 降为 30%。次生α相大量增加，且次生α长大并粗化。退火温度由 940℃升高到 970℃，其初生α相由 30% 降为 3%，针状次生α相粗化、长大、变得平直，形成较厚的α片层。当退火温度为 980℃时，初生等轴α相全部溶解，由条状α相 +β 转变组织构成，存在断续的α晶界。

2.2 不同退火温度对 TA15 钛合金力学性能的影响

2.2.1 退火温度对室温拉伸性能的影响

由图 3(a) 可以看出，在相变点以下较低温度 750℃ ~850℃范围内退火，随着退火温度的升高，抗拉强度及屈服强度均呈现先升高后降低的趋势，均是在840℃时达到峰值，抗拉强度达到1065MPa，屈服强度达到952MPa，由840℃升高到850℃时，抗拉强度及屈服强度均有所降低。750℃和800℃下的强度差异大不，是由于该温度下合金主要发生了回复过程。随着退火温度继续升高，强度明显提高。在850℃~960℃温度范围内退火，随着退火温度升高，抗拉强度和屈服强度均略有提高，在970℃到980℃时，强度发生骤降。这与其显微组织形态密不可分。在800℃~950℃退火时，合金同时发生再结晶软化和次生α相的强化作用，因而合金的性能取决于这两种因素在何时起主要作用。在800-850℃范围内，次生α相起主导作用，因而在840℃达到峰值。在940℃～970℃之间，其组织均为双态组织，析出的次生α相不再是少量而是大量的析出，且明显长大并粗化，对合金的强化作用减弱，再结晶软化作用起主导地位，因此，合金的强度随着温度的升高略有降低。

由图 3(b) 可以看出，在相变点以下较低温度 750℃ ~850℃范围内退火，随着退火温度的升高，其断后伸长率和断面收缩率变化不大，和强度呈相反规律。但是在相变点以下较高温度940℃~960℃时，其塑性增加较为明显。在940℃时，退火温度已基本接近TA15钛合金的再结晶终了温度，提高退火温度，原子的热运动更加剧烈，从而使合金内部的位错堆积等缺陷迅速消失，变形畸变能得以迅速释放，合金内部变形缺陷完全消除，所以合金强度下降，塑性又进一步得到提高。由960℃升高到980℃，其塑性骤降。这是次生α相和初生α相综合作用的结果。

2.2.2 退火温度对冲击性能的影响

由图 4 可以看出，在相变点以下较低温度 750℃ ~850℃内退火，除 750℃和 850℃两个点冲击偏低，其余温度下冲击性能变化不明显。但是退火温度升高到相变点以下较高温度 940℃时，冲击性能明显提升，这是因为随着退火温度的升高，初生α相逐渐减少，次生α相增多且由针状长成条状。随着退火温度继续升高，950℃ ~970℃，次生α相逐渐由长条状长成短棒状或圆形，从而导致冲击性能有所降低。

但是在相变点以下较高温度退火，940℃ ~970℃下退火冲击功的平均值比在 750℃ ~850℃下退火提高了 36%，符合双态组织的冲击性能高于等轴组织。

3、 结论

（1）TA15 钛合金在相变点以下较低温度退火得到等轴组织，在较高温度退火得到双态组织。

（2）在 750℃ ~850℃范围内退火，随着退火温度的升高，强度呈现先升高后降低的趋势，在 840℃达到峰值 ；其断后伸长率和断面收缩率变化不大，和强度呈相反规律。

（3）相变点以下高温区（940℃ ~970℃）退火的强度略低于低温区（750℃ ~850℃），而冲击韧性远高于高温区，即双态组织的冲击韧性高于等轴组织。

（4）在 750℃ ~980℃范围内退火，随着退火温度的升高，再结晶过程更为充分，初生α含量逐渐减少，次生α相逐渐析出，长大并粗化。

参考文献：

[1]谢英杰，付文杰，王蕊宁等 . 热处理对 TA15 钛合金中厚板材组织及力学性能的影响 [J]. 钛工业进展，2013，33（6）：26-29.

[2]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.

[3]沙爱学，李兴无，储俊鹏等 . 热处理工艺对 TA15 钛合金冲击性能的影响 [J] . 稀有金属，2006，30（6）：26-29.

[4]张雷 .TA15 合金高温塑性行为及微观组织模拟研究 [D]，2013 ：2-8.

[5]张晶宇 , 杨延清 , 陈 彦等 . 退火对 TA15 钛合金组织与性能的影响 [J]金属热处理，2003，28（3）：45-48