退火温度对TA15钛合金棒显微组织和力学性能的影响

引言

TA15钛合金是一种航空领域使用的材料，相当于19世纪60年代前苏联研制的BT20钛合金，兼具α和α-β型钛合金的优点，具有良好的耐热性、强度、塑性、韧性、耐蚀性和抗疲劳性能等［1-3］，还具有良好的加工性能，使用温度可达500℃，已成功应用于飞机承力框、防护罩和发动机零件等，是国内最成熟、应用最广泛的钛合金之一［4-7］。

TA15钛合金的性能与其组织密切相关［8］。TA15钛合金通常要进行退火处理，退火温度的选择尤为重要［9-11］。本文对TA15钛合金进行了不同温度的退火处理，研究了退火温度对其显微组织和室温及高温力学性能的影响。

1、试验材料和方法

试验用TA15钛合金采用真空自耗炉三次熔炼，铸锭尺寸为φ760mm×2000mm，化学成分如表 1 所示。

清除铸锭表面的异物，涂刷防护涂层，在20t台车式燃气炉中分段加热，即800℃预热150min，升温至1150℃保温3h后锻造开坯成φ600mm×1000mm坯料。锻造工艺为:首先用60MN快锻机在β相区(1000～1150℃)进行多次自由锻，变形量为40%～45%;随后在α-β两相区(940～970℃)进行多次自由锻，变形量为35%～45%;最后采用20MN快锻机在α-β两相区(920～950℃)进行2火次拔长和摔圆成棒材，变形量为15%～40%，直径为350mm。将棒材制备成φ350mm的退火处理用试棒，分别在760℃、800℃和840℃保温2h空冷至室温。

将退火后的试棒按GB/T228.1-2010加工成标距为25mm、标距直径为5mm的拉伸试样，采用AG-X万能拉伸试验机进行室温和高温(500℃)拉伸试验，应变速率为10^-3s^-1。

制备金相试样，然后采用JSM-6510型扫描电子显微镜进行金相检验和拉伸断口分析。

2、结果与讨论

2.1显微组织

图1为TA15钛合金经不同温度退火后的显微组织。从图1可以看出，TA15钛合金显微组织主要由初生α相和α+β两相组成，退火过程中合金不仅发生了再结晶，相成分和相比例也发生了变化。

图 1 760 ℃(a)和 840 ℃(b)退火的 TA15 合金的显微组织

在较低温度(760℃)退火的合金中初生α相含量较高而球化程度不足，如图1(a)所示。随着退火温度的提高(840℃)，β相转变的组织逐渐增多，其中细小的α相分布杂乱，如图1(b)所示。这种组织有利于提高合金的强度，但高温下充分球化也使其塑性略微降低。

2.2力学性能

2.2.1室温力学性能

图2为退火温度对TA15钛合金室温力学性能的影响。由图2可知，随着退火温度的升高，TA15钛合金的抗拉强度升高，屈服强度先升高后略微下降，断后伸长率降低。这与TA15钛合金强度随退火温度的升高而升高的规律相同［12］。

图 2 退火温度对 TA15 钛合金室温力学性能的影响

图 3 退火温度对 TA15 钛合金高温力学性能的影响

2.2.2高温力学性能

图3为TA15钛合金的高温力学性能随退火温度的变化。从图3可以看出，随着退火温度的升高，合金的高温抗拉强度和屈服强度逐渐升高，而高温断后伸长率逐渐降低。与室温拉伸性能相比，高温抗拉强度比室温的约低300MPa，而断后伸长率比室温的约高5%。

3、断口分析

3.1室温拉伸断口

图4为760℃和840℃退火的TA15钛合金室温拉伸断口的微观形貌。图4表明，TA15钛合金的室温断裂机制均为韧性断裂，塑性较好。随着退火温度的升高，拉伸断口的韧窝变小和变深，表明断后伸长率逐渐升高［13］。

图 4 760 ℃(a)和 840 ℃(b)退火的 TA15 钛合金室温拉伸断口的扫描电镜形貌

3.2高温拉伸断口

图5为TA15钛合金高温拉伸断口的微观形貌，断口有明显的韧窝，显示出韧性断裂特征。高温(840℃)退火的合金高温拉伸断口韧窝直径较低温(760℃)退火的合金细小，并且随着退火温度的降低，合金的拉伸断口韧窝逐渐变深。因此，高温退火的合金塑性较好。这可能与高温拉伸过程中裂纹扩展速率较小有关。

图 5 760 ℃(a)和 840 ℃(b)退火的 TA15 钛合金高温拉伸断口的扫描电镜形貌

4、结论

(1)随着退火温度的升高，TA15钛合金中β相转变的组织逐渐增多，细小的α相充分球化且分布杂乱。

(2)随着退火温度的升高，TA15钛合金的室温抗拉强度逐渐升高，室温屈服强度先升高后有略微降低，断后伸长率逐渐降低;高温抗拉强度和屈服强度均随着退火温度的升高而升高。

(3)TA15钛合金以韧性断裂为主，且随着退火温度的升高，拉伸断口的韧窝直径变大变浅。

参考文献

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