冷却方式对航空航天领域用TA15钛合金棒组织与力学性能关系的影响

钛及钛合金具有比高强度、无磁性、低密度和耐低温等众多优异特性，在石油、化工、海洋等领域都有广泛应用[1-2]。TA15钛合金是一种典型的近α型钛合金，其名义成分为 Ti-6AL-2Zr-1Mo-1V，是一种十分常见的近α型合金，该合金具有中等强度、良好的蠕变性能、优异的耐腐蚀性等特点，广泛应用在航天航空领域[3-4]。

目前对该合金的研究领域众多，其中李永奎等[5]研究了基于热膨胀方法的 TA15钛合金的连续冷却相转变，结果表明：TA15钛合金的临界冷却速率分别为3 K/s 和 30 K/s；该合金在室温条件下的组织为α+β 集束，在冷却时产生β相向α相的转变；相比于差示扫描量热法，使用热膨胀方法测定的相变点温度较低，故此方法在测试相变过程中体积变化较大的合金时较为实用。纪小虎等[6]研究了变形温度对大塑性变形 TA15合金显微组织和力学性能的影响，结果表明：TA15钛合金经 3 道次锻造加工后，组织细化明显，并有球化现象；提升变形温度会抑制组织中等轴α相的细化效应，对于片状α相产生的细化效果更加明显，这是因为激发了不连续动态再结晶机制；在提升变形温度的同时，合金的强度和塑形产生相反的变化趋势，其中抗拉强度降低较为明显。

因为 TA15钛合金的微观组织主要以α相组成，并有少量β相存在于组织中，导致该合金的强化机理以析出相为主，故该合金的冷却方式对析出相十分重要，本文选取不同冷却方式对加热后合金进行冷却，探究不同冷却方式与该合金的组织和力学性能的关系。

1、 试验材料与方法

本试验选用的材料为TA15钛合金棒材，合金使用中间合金及小颗粒海绵钛为原材料，随后经过熔炼、探伤、机加和锻造等工艺制成棒材，对棒材进行取样测试其化学成分，测得棒材化学成分为（质量分数，%）：6.76Al、1.73Mo、2.2V、0.22O、Ti 余量。使用金相法测得该合金棒材的相变点为 1 010~1 015 ℃。随后将该合金进行切割，将切割完成的合金进行加热处理，加热温度分别为单相区（1 030 ℃×2 h）与两相区（980 ℃×2 h），随后对加热后合金进行水冷（WQ）、空冷（AC）、炉冷（FC）处理，将经不同冷却处理后的棒材进行加工取样，分别加工成微观组织、维氏硬度及拉伸试样，随后进行微观组织观察、维氏硬度及拉伸性能测试，其中维氏硬度测试取 5 个点，最后取平均值，拉伸试验每组测试 3 个试样，最后取平均值。使用 ICX41M 型光学显微镜观察微观组织，维氏硬度测试使用 HVKS 型号硬度计，使用INSTRON 型万能试验机测试室温拉伸性能。

2、 试验结果与分析

2.1 金相组织

图 1 为棒材经不同冷却方式处理后的金相组织，当加热温度位于两相区时（980 ℃），3 种冷却方式处理后，金相组织最大的区别为初生α相含量与尺寸不同，在经水冷与空冷处理后的组织中初生α相接近，而经炉冷处理后，初生α相含量降低，但尺寸最大。在空冷与炉冷处理后的组织中，无明显的β转变组织。在次生α相方面，因为水冷处理时，组织中形成较大的过冷度，析出的一定量的次生α相，同时组织中形成过饱和固溶体以及亚稳定β相，当合金经空冷处理后，因为此时冷却速率较慢，形成具有针状结构的次生α相减少，其位于初生α相之间，当合金经炉冷处理后，因为炉冷过程中的冷却速率最慢，使得组织中次生α相有充足时间和能量进行长大，导致组织中形成的次生α相十分粗大[7]。

合金加热到单相区后（1 030 ℃），再以 3 种不同冷却方式进行冷却后的金相组织，与加热温度位于两相区相比较，最大的区别为组织中初生α相完全消失，这是因为此时的加热温度为单相区，组织中的α相完全溶解消失，发生α寅β 转变，当进行水冷处理时，组织中的β相会形成马氏体α忆相及亚稳定β相，α忆相形貌为细小针状结构，并无明显α晶界出现，当合金加热后进行空冷处理，此时组织同水冷组织类似，形成β晶粒及针状α相，同时可见组织中出现三叉晶界，并有β转变组织存在，当合金加热后，再经炉冷处理，组织中次生α相发生粗化，以长条形貌为主，α晶界发生粗化，这是由于炉冷的冷却时间较长，组织发生粗化[8]。

2.2 维氏硬度

图 2 为经不同冷却方式处理后的维氏硬度值，由图 2（a）可知，合金经两相区加热后，再以不同方式进行冷却处理，其中经水冷处理后的硬度最大，经炉冷处理后的硬度值最小，由大到小依次为水冷（300 HV）、空冷（276 HV）、炉冷（267 HV）。由图 2（b）可知，合金经单相区加热后，在 3 种冷却方式中，同样经水冷处理后的硬度值最大，经炉冷处理后的硬度值最小，由大到小依次为水冷（306 HV）、空冷（285 HV）、炉冷（274 HV）。

可以发现，合金在单相区以及两相区加热后，3 种冷却方式处理后的合金硬度均是水冷最大，而炉冷最小，其中单相区硬度均高于两相区，当合金经过水冷处理后，组织由初生α相以及次生α相为主，且次生α相含量最多，其中次生α相的硬度较初生α相要高，所以经水冷处理后合金的硬度最大，当加热温度位于单相区后，组织中初生α相完全消失，并析出大量次生α相均匀分布，硬度取样位置均是α相，导致合金单相区硬度大于两相区[9]。

2.3 拉伸性能

图 3（a）为合金经两相区加热后，在不同冷却方式处理后的拉伸性能，由图 3（a）可知，经不同冷却方式处理后，合金的强度大小为经水冷处理后最大，而经炉冷处理后最小。其中合金的抗拉强度（Rm）值分别为水冷（988 MPa）、空冷（962 MPa）、炉冷（942 MPa），其屈服强度（RP0.2）值分别为水冷（968 MPa）、空冷（931 MPa）、炉冷（915 MPa），合金的塑性与强度呈现出相反趋势，断后伸长率（A）分别为水冷（10%）、空冷（14%）、炉冷（19%），断 面 收 缩 率（Z）分 别 为 水 冷（21%）、空 冷（29%）、炉冷（32%）。由图 3（b）可知，合金经单相区加热后，再以不同冷却方式处理后，合金的强度同样为水冷最大，而经炉冷处理最小，塑性趋势与强度相反，但合金塑性较差，其强度最大值为经水冷处理后，其中抗拉强度（Rm）为 1 013 MPa，屈服强度（RP0.2）为989 MPa。

当合金经水冷处理后，因为水冷冷却速度较快，组织中会形成较多的次生α相，在拉伸时，次生α相的形貌细小均匀，使得组织中位错在进行滑移时，较易产生位错塞积，导致合金强度增大，又因为冷却时形成的次生α相内部包含大量位错，致使合金经水冷处理后强度较大。合金在进行空冷的过程中，较慢的冷却速度会较多的次生α相，但在拉伸时也会有位错塞积现象产生，因为含有一定数量的次生α相，这会增加组织中相界面数量，当相界面数量较多时，对合金有强化效果，增加合金强度。在进行炉冷的过程中，会形成较多的等轴α相，当等轴α相数量较多时，合金塑性会显著提高，这是由于等轴α相中包含较多的滑移系，合金在拉伸过程中，位向较大等轴α相中会有滑移系首先进行开动，故组织等轴α相含量越多，合金在拉伸时产生的形变会快速的扩散至各等轴α相内，避免了应力集中产生，导致合金塑性升高。当合金在单相区加热后冷却，组织中初生α相已经完全消失，导致合金塑性较两相区加热相比，塑性下降明显，同时在水冷时，组织中会析出更多的次生α相，合金强度增加，空冷中形成的细小针状次生α相有所下降，强度降低，而单相区加热后，炉冷的的组织中析出更多条状α相，皆会导致单相区合金强度较高[10]。

3、 结论

（1）当加热温度位于两相区时，经水冷与空冷处理后的组织中初生α相接近，而经炉冷处理后，初生α相含量最多，且初生α相尺寸最大。合金加热到经单相区后，最大的区别为组织中初生α相完全消失，组织中的α相完全溶解消失。

（2）合金经两相区加热后经水冷处理后的硬度最大，经炉冷处理后的硬度值最小，合金经单相区加热后，3 种冷却方式中，同样经水冷处理后的硬度值最大，经炉冷处理后的硬度值最小。

（3）合金强度趋势与硬度一致，而塑性趋势与强度相反，但经单相区加热后合金塑性较差。

参考文献:

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