面向航空500℃承力部件的TA15钛合金板材双工艺生产的轧制工序-组织形态-力学性能关联研究——解析一火至冷轧各工序组织演变规律，验证淬火工艺成品板强韧性匹配更优且500℃伸长率超20%，解决开坯轧制表面裂纹难题

TA15合金是高铝含量的近α型钛合金(Ti-6A1-2Zr-1Mo-1V)，同时又含有β稳定元素Mo和V，所以兼具α型与α+β型钛合金的优点，具有良好的综合力学性能，如高强度、高韧性、良好的焊接性能、高温性能与优异的工艺性能等［1-2］，可用于制造500℃以下长时间工作的航空航天部件和焊接承力零部件，如飞机隔框、壁板等，有广阔的应用前景且市场需求很大，由于航空合金板材对产品质量及性能要求严格，生产技术难度大。

许多科技工作者研究了TA15合金的热处理和变形行为，TA15合金的组织依赖于合金成分、变形量、变形速率、热变形过程和热处理等，而且冷却速率会影响合金的α/β相组成和比例［3-4］。由于具有高铝当量和较高的强度，TA15合金的加工过程有较大难度。本研究使用了两种工艺路线生产TA15合金板材，研究了不同厚度钛板的性能和组织演变。

1、试验材料与方法

本研究将0级海绵钛与中间合金混料均匀后压制电极，使用真空自耗电弧炉(VAＲ)进行3次熔炼，制备的铸锭成分为Ti-6.32Al-1.23Mo-1.47V-1.91Zr0.11O(质量分数，%)。TA15合金铸锭进行4火次锻造，其中相变点以上锻造2火(两镦两拔，锻造比1.6)，相变点以下锻造2火。采用金相法测试得到板坯β相变点为995～1000℃。使用OLYMPUSGX71金相显微镜和INSTＲON5982电子试验机分别测试板材的组织与性能。

2、试验结果与讨论

2.1TA15合金板的生产工艺设计

TA15合金锻造后低倍组织为模糊晶，形成了双态组织，由初生等轴α相+含片状α相的转变β相组成，如图1所示。TA15钛合金板的生产工艺见表1。

为获得较好的热变形能力，一火轧制加热温度(990℃)接近β相区，轧程变形量较大有利于破碎内部组织。随后的热轧在α+β相区进行，促进形成更细小均匀的组织，从而获得良好性能。

表 1 TA15 钛合金板的生产工艺

TA15合金为中高强度钛合金，塑性低于TC4合金，在一火开坯轧制时，表面容易产生严重裂纹，造成材料修磨损耗增加，使得料率降低、生产成本增加。在TA15合金板坯上复合1mm纯钛层，利用纯钛塑性变形能力强的特点隔离TA15合金与轧辊和周围冷环境相互作用，可有效改善一火开坯轧制过程中裂纹缺陷，并有效抑制表面温降，进而减少表面裂纹、减少后续修磨量及材料损耗，达到降低生产成本的目的。

图2是一火轧制后TA15钛合金板外观和微观组织。如图2(a)所示，TA15合金板坯一火轧制后，包覆后的表面整体上裂纹很少，但侧面和表面边部有较多明显的小裂纹，这是由于侧面没有包覆、轧制减薄展宽后生成裂纹并显露在表面，后续通过打磨抛光可去除。热轧产生了形变和部分再结晶，钛板的微观组织以片状和初生α相为主，还有部分条状和晶界α相及转变β相(见图2(b))。

轧制生产一火TA15钛合金板后，实施淬火和不淬火两种工艺，生产更薄的钛板，两种工艺制备的钛板力学性能见表2和表3。

表 2 未淬火制备的 TA15 钛合金板力学性能

表 3 淬火后制备的 TA15 钛合金板力学性能

2.2未淬火制备TA15合金板的组织

对一火轧制的TA15合金板，换向后进行二火轧制、随后进行三火轧制，其微观组织见图3。二火和三火轧制过程中虽然有动态再结晶发生，但仍以明显的变形组织为主，微观形貌均为长条和初生等轴α相+含片状α的转变β相，三火轧制的累积变形量更大，初生α相更少、形变更明显(见图3)。

从表2可见，二火板和三火板的性能差异很小，相比一火钛板，二火和三火钛板屈服强度增加50～70MPa、抗拉强度增加130～150MPa，伸长率有所降低。750～850℃退火后，三火轧制钛板均由等轴和长条α相+转变β相组成，如图4所示。但随着退火温度升高，不仅发生了再结晶，相成分和比例也发生变化。退火温度升高后，α晶粒逐渐长大，750℃退火后α晶粒较小，850℃退火后的晶粒更粗大一些，等轴α相含量增加而β相含量减少。等轴晶粒的增多使材料的延伸率提高［1］，塑性得到改善。

对三火轧制钛板进行750～850℃退火后(保温1h)测试力学性能，结果见表4。由表4可知，750℃退火后钛板强度最高，随着退火温度升高，钛板强度降低。低温下屈强比较高，而850℃退火后的屈强比最低。3个退火温度下的伸长率差异较小。

表 4 三火轧制 TA15 钛合金板经不同温度退火后的力学性能

叠轧是将两块或多块钛板叠在一起进行热轧(960℃加热)，主要用于薄板的生产，可减少轧程、提高生产效率。三火TA15合金板叠轧后的组织(见图5)包括拉长/等轴α相+晶间β相和转变β相，叠轧过程中钛板发生了动态再结晶，形成了等轴晶粒。

TA15钛合金叠轧板进行850℃退火，然后冷轧为厚1.5mm的薄板，再成品退火(820℃)后的微观组织如图6所示，由等轴状α相、晶间转变β相和少量的球状β相组成，组织细小均匀，原始β晶粒破碎充分，无连续、平直晶界α相。

成品退火处理后1.5mm厚TA15合金板的伸长率明显提高，强度比热轧态有明显降低，强韧性匹配较好(见表2)。

2.3淬火处理对TA15合金板组织的影响

将一火轧制后的TA15合金板固溶处理后进行淬火，图7是淬火处理后的截面组织和表面附近形貌。淬火后的TA15合金板组织为针状马氏体(见图7(a))，由于高温固溶处理，晶粒显著粗化到300～500μm。钛板表面有氧化层和污染层，平均深度约0.14mm，从截面组织可以看到钛板表层有部分裂纹且为等轴细晶粒(见图7(b))，这可能是由淬火应变引起的。对比表2和表3可知，淬火后钛板抗拉强度升高了33～60MPa，屈服强度降低了74～94MPa，淬火处理提高了抗拉强度，同时伸长率明显降低，且固溶淬火消除了变形组织，发生了再结晶软化，合金的屈服强度和屈强比明显降低。

将淬火后的钛板打磨抛光去除表面污染层和缺陷层，然后进行二火换向轧制，随后进行三火轧制，组织形貌见图8。二火热轧形成网篮组织，包括片状α相+晶界α相+晶间转变β相(见图8(a))。继续进行三火热轧，组织如图8(b)所示，形成片层和长条状α相+等轴α相+含α相的转变β相组织，片层状组织减少，短棒状和集束状α相增多，有少量等轴α相形成，多次热轧后组织明显改善。

将三火热轧的TA15合金板叠轧为2.5mm板材，微观组织(见图9(a))为等轴和拉长α相+晶间β相+含点状α相的转变β相。叠轧后进行850℃退火，等轴和短棒状α相及转变β相增多，见图9(b)。

将叠轧后的TA15合金板继续冷轧制备厚1.5mm和1.2mm板材，冷轧前对钛板进行退火处理(850℃退火)，冷轧后进行成品退火(820℃)和酸洗处理。图10是成品退火后1.5mm和1.2mm厚TA15钛合金板的组织形貌，由等轴α相+晶间球状β相组成，β相的球化效果较好，由于冷轧变形量更大，1.2mm厚板材的β相球化效果更好。

2.4分析和讨论

TA15合金中元素含量高、强度较高而塑性较低，需要适宜的工艺参数匹配才能高效制备良好的产品。淬火与不淬火对成品板的性能和组织影响明显，未淬火钛板多次热轧后对组织的破碎不充分，除了长条状组织外，仍有一些初生等轴α相存在，经过叠轧和冷轧生产的1.5mm厚TA15合金板成品，虽然组织已经破碎和再结晶细化，但存在较多的不规则α相和转变β相晶粒，因此强度较高、塑性稍低。

β相区淬火处理主要是通过在β相变点以上10～40℃热处理，然后再进行水淬快速冷却，得到粗大针状马氏体组织，在后续加工和热处理过程中发生破碎、原子扩散和再结晶等，能得到细小均匀的β相球化组织。TA15钛合金板材淬火后形成基体为粗大晶粒的针状组织，热轧造成的形变和动态再结晶使组织明显细化，组织形态为片层/长条/等轴状α相和转变β相组织，而经过冷轧及成品退火后，组织形态以细小的等轴α相和球状β相为主，β相球化效果好。粗大晶粒的TA15合金变形过程中应适当提高变形温度、降低应变速率，否则会造成变形局域化或微区缺陷［5］，不同的变形量和变形参数会影响淬火后钛板的性能。

相应地，淬火态钛板的屈服强度明显降低，随后生产的板材比同样条件下未淬火的板材强度更低些，冷轧后的成品钛板强度稍低但塑性更好。比较而言，淬火后的钛板在随后的变形中组织充分破碎和再结晶，形成了大量细小球化β相，合金的塑性更好、强度稍低些，强韧性匹配良好。表5是两种工艺制备的1.5mm厚TA15合金成品板(820℃退火后空冷)在500℃的高温力学性能对比，淬火后制备的钛板抗拉强度和屈服强度稍低，伸长率更高。另外，在500℃进行了470MPa/50h持久性能测试，两种工艺制备的钛板均未发现裂纹。

表 5 TA15 钛合金成品板的 500 ℃力学性能

3、结论

1)在α+β相区多次热轧的TA15钛合金板由长条变形和初生等轴α相+转变β相组成，冷轧并成品退火后1.5mm的薄板由等轴状α相和转变β相组成(少量为球状β相)，强度在1035MPa以上，伸长率在16.0%以上。

2)TA15合金一火轧制后淬火有利于制备强韧性匹配更好的薄板。TA15合金淬火后形成针状马氏体组织，随后在α+β相区热轧的板材产生显著的组织细化和再结晶，冷轧并成品退火制备的1.5mm与1.2mm薄板组织由细小等轴α相和球化β相组成。相比未淬火，经淬火处理的成品钛板强度稍低、塑性更高，强韧性匹配更好。

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（注，原文标题：不同工艺制备TA15合金板材的组织与性能）