TA15钛合金板跨相变点退火的组织与织构演化规律及其对拉伸性能的耦合影响机制

引言

钛因具有低密度、高强度、优异的耐腐蚀性，以及良好的生物相容性，成为航空航天、轨道交通、医疗器械、化工设备、海洋工程和汽车制造等行业的理想材料[1-2]。TA15钛合金是一种近α型钛合金，与其他钛合金相比，具有良好的焊接性能以及良好的加工性能，该合金焊缝区域的力学性能与母材相当，在复杂结构件的制造中具有优势，且TA15钛合金可以通过多种加工方法成形，如锻造、轧制和挤压等，便于制造复杂形状的零部件[3-4]。

目前已有部分学者对TA15钛合金的退火工艺进行了研究，如刘家涛等[5]研究了退火温度对TA15钛合金显微组织和力学性能的影响；曾菁等[6]研究了退火对高Mo当量大型TA15钛合金锻件组织与拉伸性能的影响；董少峥等[7]则研究了退火温度对TA15钛合金高温与室温拉伸性能的影响。虽然已有部分学者对TA15钛合金的退火工艺进行研究，但目前的退火温度通常以两相区温度为主，且主要研究退火温度对微观组织以及力学性能影响，鲜有关于织构方面的研究。

故本文结合目前研究现状，研究TA15钛合金经不同温度区间退火后的组织、织构以及拉伸性能具有重要意义。首先，这不仅能填补相关研究领域的空白，深化对TA15钛合金热处理机制的理解，还能为优化其加工工艺提供科学依据；其次，从工程应用的角度来看，了解退火温度对TA15钛合金组织、织构及拉伸性能的影响，有助于选择最佳的热处理参数，从而提高材料的综合性能，延长使用寿命，降低生产成本。

1、试验材料及方法

选用TA15钛合金板材作为研究材料，相变点为993℃，具体化学成分如表1所示。基于测得的相变点温度，分别设计两相区温度(960℃、980℃)以及单相区温度(1000℃、1020℃)对TA15钛合金进行退火处理，退火时间均为2h，具体加热温度以及加热时间参数详见表2，其中AC代表合金加热完成后进行室温冷却。

表1TA15钛合金板材成分(质量分数)

表2退火工艺方案

完成退火处理后，对TA15钛合金进行取样，分别对其组织以及室温拉伸性能进行观察与分析。为保证测试与分析的一致性，所有试样的观察面以及拉伸试样均为板材的轧制方向(RD方向)。合金经退火处理后的微观组织形貌使用OLYMPUS光学显微镜来观察，合金内部组织结构则采用SUPRA55场发射扫描电镜进行电子背散射衍射(EBSD)测试。在INSTRON万能试验机上进行室温拉伸性能测试，为确保测试结果的准确性和可靠性，从每组工艺中选取3个试样进行测试，以平均值作为该组工艺的拉伸性能指标。

2、试验结果与分析

2.1微观组织

TA15钛合金经不同温度退火处理后的微观组织形貌如图1所示，发现当经两相区温度退火处理后，见图1(a)和图1(b)，二者的组织均为双态组织，组织中包含初生α相以及次生α相，其中初生α相形貌以粗大块状为主，并伴有一定数量的等轴状形貌，而次生α相形貌则以细小条状为主。图1(b)相比于图1(a)，组织中初生α相体积明显减小、数量明显减少，且等轴化程度也有一定程度增加，次生α相的数量则有明显增加但体积未出现明显增大。随着退火温度升高，在加热过程中，组织中发生物相转变，α相向β相进行转变，加热温度增加则意味着更多的α相向β相进行转变，导致组织中初生α相含量不断减少；当加热完成后，在冷却过程中β相向α相发生转变，但冷却速度较快导致新形成的次生α相来不及生长，最终形成细小条状形貌。

当合金经单相区温度退火处理后，见图1(c)和图1(d)，二者组织形貌相似度极高，组织中均形成明显的粗大β晶粒，且在晶粒内部存在细小条状次生α相。在加热温度升高至单相区后，组织中初生α相完全转变为β相。β相是一种在较高温度下稳定存在的相，具有更高的原子自由度和较高的扩散速率。在高温条件下，合金中的原子具有较高的活动能力，它们更容易迁移和重新排列，这种迁移和重新排列会导致晶粒的长大，形成粗大的β晶粒。

2.2织构分析

TA15钛合金经不同温度退火处理后，其内部组织形貌发生明显变化，但仅从组织形貌的变化无法深入分析其内部晶体结构的变化，故对经不同温度退火处理后的合金进行EBSD测试和表征分析。因为钛合金的晶体结构为密排六方结构，其在塑性变形过程中主要是基面进行滑移，故对基面{0002}晶面的极图进行分析[8]。

TA15钛合金经不同温度退火处理后极图如图2所示，发现合金经两相区温度退火处理后，二者的极图有明显的变化趋势，退火温度为960℃时，组织具有明显的T型织构，在退火温度升高至980℃时，组织呈现近T型织构，取向集中方向开始发生变化，但发现图2(a)与图2(b)中的织构密度变化较小，分别为4.8和5.0。当合金经单相区温度退火处理后，发现极图产生明显变化，此时极图呈现出明显的R型织构，且织构密度明显增加至6.7。随着退火温度继续升高至1020℃时，发现此时的极图与图2(c)接近，同样呈现出典型的R型织构，且织构密度为6.8。

随着退火温度的升高，合金内部原子的活动能力增强，更容易迁移和扩散，在退火过程中，组织中会发生物相转变，在相变过程中，原子重新排列和组合，导致织构类型变化，同时原子的重新分布和组合，使得原子间的间隙减小，从而导致密度增加。

2.3室温拉伸性能

TA15钛合金经不同温度退火处理后的室温拉伸性能如图3所示，发现退火温度为两相区温度时，合金强度随温度升高而增大，但是塑性不断降低。在退火温度从两相区温度升至单相区温度时，合金强度进一步增大，而塑性则出现大幅度降低，当退火温度达到单相区温度后，继续升高退火温度，合金的强度与塑性未出现明显的变化。其中在退火温度为960℃时，合金塑性性能最佳，此时合金的断后伸长率A为、断面收缩率Z为；在退火温度为1020℃时，合金强度达到最大，此时抗拉强度屈服强度R_p0.2为950MPa。

由图可知，在退火温度较低时，组织中初生α相含量较多，大量的初生α相提供了更多的滑移系，使得合金在受到外力作用时，能够通过各种滑移系进行塑性变形，进而吸收更多的能量，随着更多的能量被吸收，合金在受到拉伸并产生裂纹扩展时，能够更加有效地分散应力，延缓裂纹的扩展速度，从而更好地抵抗裂纹的扩展，故此时合金塑性较高[8-9]。而随着退火温度升高，初生α相含量减少，合金塑性降低；当退火温度为单相区时，初生α相完全消失，导致合金塑性大幅度降低。退火温度升高，组织中次生α相含量不断增加，细小条状的次生α相具有细小的尺寸，这表示组织的晶粒得到了细化，晶粒细化能够增加晶界数量，进而提高材料的抗变形能力，故导致合金强度随退火温度升高而增大[10]。

由图2可知，退火温度升高会导致组织中织构类型发生变化，当织构类型发生变化时，合金内部的晶粒排列方式和晶界结构会发生变化，进而导致晶粒更加紧密排列，提高合金的密度和均匀性，从而提高其强度，而另一些织构类型可能导致晶粒间的弱连接增多，降低合金的整体强度。结合图2与图3可以得出结论，在组织中存在T型织构时，合金抗拉强度最大值为985MPa，当组织中存在R型织构时，合金抗拉强度最大值为1003MPa，即当组织中存在R型织构时，合金强度较高。

3、结论

经两相区温度退火处理后的组织为双态组织，组织中包含初生α相以及次生α相，初生α相形貌呈现块状以及等轴状形貌，次生α相形貌以细小条状为主。经单相区温度退火处理后，组织中出现粗大β晶粒以及细小条状次生α相。

经两相区温度退火处理后极图具有T型织构，织构密度接近；经单相区温度退火处理后的极图为R型织构，织构最大密度明显增加至6.8。

退火温度为两相区温度时，退火温度升高的过程中，合金强度增大，塑性不断降低。退火温度为单相区温度时，合金强度相比两相区温度时更高，塑性则出现大幅度降低。

参考文献

[1] 王龙刚，包婷婷，谭长生，等。形变热处理对 TC9 钛合金组织及拉伸性能的影响 [J]. 材料热处理学报，2024，45 (11)：85-92.

[2] 张航，祖国庆，王大臣，等.TC4 钛合金锻态板材 TIG 焊后组织与性能研究 [J]. 钢铁钒钛，2024，45 (5)：63-69.

[3] 赵丽娟，魏科，黄骏，等。不同道次应变分配下 TA15 钛合金双道次热压缩静态软化行为 [J]. 材料热处理学报，2024，45 (7)：194-200.

[4] 李晓煜，唐敏，刘昕，等。不同锻造工艺对 TA15 棒材组织性能影响 [J]. 钢铁钒钛，2024，45 (1)：57-64.

[5] 刘家涛，孙世能，戴山，等。退火温度对 TA15 钛合金显微组织和力学性能的影响 [J]. 热处理，2024，39 (1)：25-27.

[6] 曾菁，王晓巍，余胜峰，等。退火对高 Mo 当量大型 TA15 钛合金锻件组织与拉伸性能的影响 [J]. 钛工业进展，2022，39 (6)：24-27.

[7] 董少峥，张明玉，曲太旭，等.TA15 钛合金高温与室温拉伸性能的研究 [J]. 热加工工艺，2023，52 (10)：129-133.

[8] FAN R L，WU Y，CHEN M H，et al.Relationship among microstructure，mechanical properties and texture of TA32 titanium alloy sheets during hot tensile deformation [J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2020，30 (4)：928-943.

[9] 丁屹，李爱国，李贤君，等。热处理工艺对 8mm 厚 TC4 钛合金板微观组织和强度的影响 [J]. 金属热处理，2024，49 (7)：261-266.

[10] 马鑫，孙前江，文超，等。准 β 热处理工艺对 TC4-DT 钛合金组织和拉伸性能的影响 [J]. 稀有金属材料与工程，2023，52 (12)：4260-4267.