TA15钛合金棒材不同部位的组织与拉伸性能的差异

TA15 钛合金是一种常见的近 α 型钛合金，该合金的名义成分为 Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，因为其具备较优异的高温以及室温强度、良好的可塑性、优异的热稳定性和焊接性能良好等特性，在航天飞机的结构件受到大量且广泛的应用，今年来，因为其应用领域不断增加，对该合金的力学性能要求更加严格[1-2]。

目前对 TA15 钛合金的研究较多，武小娟等[3]研究了 TA15 钛合金不等厚 L 型材热轧有限元模拟，结果表明：TA15 钛合金进行轧制时，会产生的变形热较多，进而提升合金轧件的温度，不同道次的薄壁温度不同。当温度较低时，需要重新将合金进行补温处理，提升轧制道次会增加合金的应变，轧制过程中形成的弯曲变形现象通过添加楔形坯料会得到有效改善。安强等[4]研究了 TA15 钛合金表面原位合成TiC 增强钛基激光熔覆层的组织与耐磨性，结果表明：合金的涂层由 TiC 以及 CrTi4 等物相构成，该涂层和合金的基体之间结合性良好，涂层区域的微观组织由柱状晶以及平面晶构成，组织中心位置是典型的树枝晶，在组织的顶部为等轴晶粒，经测试可得，涂层区域的维氏硬度为 715 HV，其为 TA15 钛合金硬度的2.1倍。

工业生产中的 TA15 钛合金以棒材为主，而规格较多的棒材不同位置的组织会有所差异，本试验选取工业生产中常见的 TA15 钛合金棒材，分析其不同位置的显微组织和力学性能。

1、 试验材料与方法

本试验选用的钛合金为经两次真空自耗熔炼炉熔炼，并经多火次锻造而成直径为 150 mm 的 TA15钛合金棒材，该合金原料为中间合金以及小颗粒海绵钛，经过 ICP 测得 TA15 钛合金棒材的化学成分为（质量分数，%）：6.75Al、1.72Mo、2.21V、0.21O、Ti 余量。使用连续升温金相法测得试验使用的 TA15 钛合金棒材的相变点为1010~1015℃。

将锻造而成的棒材进行整体热处理，具体热处理制度为 860℃×2h/AC（AC 表示室温冷却），随后将棒材进行切割，选取棒材心部、D/4处、边部三个位置的试样，观察其微观组织，并分别测试棒材T向（棒材横向）和L向（棒材纵向）的室温拉伸力学性能。使用ICX41M 型光学显微镜观察棒材不同位置微观组织，棒材不同位置室温和高温拉伸性能使用 INSTRON型万能试验机测试，拉伸性能测试每组三个试样，取测试平均值。

2、 结果与讨论

2.1 棒材锻态金相组织

图 1为 TA15钛合金棒材原始锻态不同部位的金相组织，由图 1 可得，该金相组织为明显的两相区锻造所形成组织，组织中原始 β 晶粒破碎充分，无明显β晶界，横向和纵向组织差异性较小，其中边部和 D/4处金相组织较为接近，组织由大量等轴 α相以及部分被拉长 α相构成，并有明显的 β转变组织，β转变组织内部包含细小次生 α 相和残余 β 相，D/4 处的金相组织等轴 α 相尺寸更大，次生 α 相尺寸更小。而组织中心部金相组织与其余位置差异较大，组织 α相形貌以棒状为主，并有少量等轴 α 相，其中 β 转变组织较少，总体分析，TA15 钛合金棒材各个部位原始金相组织差异较大，等轴 α 相含量由边部向心部逐渐减少，棒状α相含量呈现出相反趋势。

2.2 退火态金相组织

图 2为 TA15钛合金棒材经 860℃×2h/AC退火处理的金相组织，棒材经退火处理后，组织较原始锻态组织相比，合金经退火处理时，锻造过程形成的变形晶粒会发生回复以及再结晶，在再结晶过程中，变形晶粒进一步发生等轴化[5]，此时组织形状以及尺寸不规则的 α 相含量较小，同时位于 α 相晶界处会产生一定量不均匀分布 β 转变组织，随着退火过程不断进行，组织中初生 α 相的相貌会等轴化明显，β 转变组织的含量也逐渐增加，组织主要包含等轴状初生 α相以及β转变组织。

在初生 α 相含量方面，边部横向组织初生 α 相含量为 53.0 %，平均晶粒直径为 13.1μm，晶粒度级别为9.5 级，纵向组织初生 α 相含量为 50.7 %，平均晶粒直径为 19.7 μm，晶粒度级别 8.4 级，经对比发现，棒材边部横向以及纵向金相组织中初生 α向含量接近，但横向金相组织等轴化程度较纵向要好，平均晶粒尺寸也较纵向组织要小。经退火处理后锻棒 D/4 处位置的金相组织与边部接近，均是以等轴状初生 α相以及 β 转变组织为主，其中横向组织中初生 α 相含量为 56.7 %，平均晶粒直径 15.3 μm，晶粒度级别为 9.1级，纵向组织中初生 α 相含量为 53.1 %，平均 α 晶粒直径为 23.6 μm，晶粒度级别 7.8 级，且横向与纵向的初生 α相等轴化程度接近，差异性较小。而经退火后锻棒中心位置金相组织与其余位置差异性较大，经检测横向组织初生 α 相含量为 20.5 %，平均 α 晶粒直径为 20.1 μm，晶粒度级别为 8.3 级，纵向组织初生 α相含量为 17.4 %，平均 α晶粒直径为 31.6 μm，晶粒度级别 7.0 级，可以发现经退火处理后，棒材心部组织与锻态组织类似，并无明显变化。

2.3 退火态力学性能

经上文金相组织分析，棒材经退火处理后，D/4处组织均匀性最佳，故选取该部位试验进行力学性能测试，表 1 为测试所得退火态棒材力学性能，由表1 可得，棒材的横向与纵向力学性能差异性很小，并未发现明显的各项异性，TA15 钛合金的塑形变形以滑移为主并有少量孪生发现，合金在进行塑形变形时，组织中滑移的开动首先在等轴状 α 相中发生，等轴状 α相的含量与尺寸对合金的塑形影响较大，其含量越大塑形值越高[5]，因为合金的金相组织中等轴状α 相含量较多，导致合金的塑形较高，其断后伸长率可达 17.5 %，而断面收缩率可达 47 %，影响合金强度的主要因素为组织中次生 α相的含量越尺寸，其尺寸越细小，含量越多，合金强度越大，因为退火态合金的组织中含有一定数量的次生 α相，合金在进行塑形变形时，细小的次生 α 相会发生位错塞积，若合金继续变形，则需要施加更大的外力，导致合金强度升高，其最大抗拉强度可达989 MPa。

TA15 钛合金棒材进行冲击试验过程中，其能量消耗通常以形成裂纹所需的功为主，通常情况下，组织的形貌有较多次生 α相时，其阻碍裂纹扩展能力较等轴 α 相强，导致裂纹进行扩展时需要较高的能量，同时，当次生 α 相含量较多时，会增加 α/β 界面总数，位错在运动过程中遇到的阻碍增加，进行冲击试验时，次生 α 相会降低组织之间协调性，增加应力集中现象，裂纹较易形成，进而进行扩展[6]。

3、 结论

（1）原始锻态不同部位的金相组织为明显的两相区锻造所形成组织，组织中原始 β 晶粒破碎充分，无明显β晶界，横向和纵向组织差异性较小。

（2）经退火处理后，棒材边部和 D/4 处的横向以及纵向金相组织中初生 α向含量接近，但横向金相组织等轴化程度较纵向要好，平均晶粒尺寸也较纵向组织要小，而经退火后锻棒中心位置金相组织与其余位置差异性较大。

（3）棒材经退火处理后，棒材的横向与纵向力学性能差异性很小，并未发现明显的各项异性。

参考文献：

[1]王哲，何健，张帅，刘程程，等 . 锻造设备对 TA15 钛合金显微组织及性能的影响研究[J].钢铁钒钛，2022，43（01）:80-84.

[2]李永奎，齐海东，路林，等 .基于热膨胀方法的 TA15 钛合金的连续冷却相转变[J].材料热处理学报，2021，42（12）:69-75.

[3]武小娟，杨川，张志强，等 .TA15 钛合金不等厚 L 型材热轧有限元模拟[J].钛工业进展，2022，39（01）:1-5.

[4]安强，祁文军，左小刚 .TA15 钛合金表面原位合成 TiC 增强钛基激光熔覆层的组织与耐磨性[J/OL]. 材料程:1-8[2022-04-03].

[5]张明玉，运新兵，伏洪旺 . 不同热处理工艺对 TC10 钛合金组织及性能的影响[J].塑性工程学报，2021，28（12）:237-245.

[6]吴静怡，杨柳，代广霖，等.新型α+β双相钛合金板抗高速冲击损伤行为研究[J]. 稀有金属材料与工程，2022，51（02）:615-.