海洋工程航天航空用TA15钛合金薄板组织与拉伸性能

钛及钛合金具有耐腐蚀性好、耐低温、密度低、比强度高等十分众多的优异特性，使其在化工、低温发动机、海洋工程、航天航空等领域均有大量的应用[1−3]。TA15钛合金（名义成分为 Ti–6.5Al–2Zr–1Mo–1V）是一种十分典型近α型合金，该合金具有优异的可加工性、良好的焊接性能以及热稳定性能、同时具备较好室温以及高温力学性能，在海洋工程、航天航空、发动机叶片等领域均有广泛的使用，因其应用领域越来越多，对其研究也十分多元化[4−5]。

目前，马庆等[6] 研究了TA15钛合金双道次热压缩变形软化行为及等轴α相组织演变规律，结果表明：合金在双道次热压缩加工工程中，降低应变速率、提高变形温度都会减小变形时的流动应力，而在保温过程中，合金会产生静态软化效应，该效应受到应变速率、变形温度以及间隙保温时间等因素影响，此外，发现组织中的α晶粒细化明显，静态软化效应越好，细化越明显。刘航等人[7] 对TA15钛合金双重热处理三态组织中的片层α尺寸进行了研究，结果表明：获得三态组织的方法为合金经两相区加热后空冷，组织中片层α的厚度随着热处理温度的升高而增加，但其长度减小。当加热温度在近 β 区间时，随着保温时间的增加，片层α长度随之增加。

虽然目前对TA15钛合金的研究较多，但鉴于工程化应用，新型的生产工艺仍是重要的研究方向，本文研究薄覆叠轧工艺生产大规格TA15钛合金薄板的组织与力学性能关系，为实际生产提供参考。

1、试验材料与方法

包覆叠轧工艺制备薄板通常由两部分构成，首先是将板材轧制到最终厚度的 3~4 倍，期间需进行换向轧制，换向轧制能够使得板材横、纵向的组织与力学性能更加均匀。其次是将板材通过类似三明治的方式，将 2~4 层板材叠放于双层钢套中，随后进行轧制，直至加工到成品板材尺寸。使用2450mm轧机对TA15钛合金进行薄复叠轧轧制加工，将TA15钛合金板坯轧制成厚度为2.5mm的薄板，随后对薄板进行 850 ℃/2 h 退火热处理，制成成品薄板，使用 ICP 测定薄板的具体化学成分为 w(Al)=6.61%、w(V)=1.21%、w(Mo)=1.17%、w(Zr)=1.93%、w(O)=0.089%、 w(Fe)=0.035%、Ti余量 。 与 传 统TA15钛合金锻件与板材相比，通过薄复叠轧工艺生产的TA15钛合金薄板，其厚度更薄，退火均匀性更好，可使得TA15钛合金的使用领域更加广泛，并增加该合金的工程应用价值。

采用连续升温金相法，测试TA15钛合金薄板的相转变温度为 1010~1015 ℃，将TA15钛合金薄板进行加工取样，分别测试该合金的微观组织与室温拉伸性能，随后观察拉伸试样的断口微观形貌。其中取样方向分别为薄板的轧制方向（RD）与薄板的横向方向（TD）。薄板的微观组织使用型号为ICX41M 的金相显微镜观察并拍照，使用型号为INSTRON 的万能电子试验机进行室温拉伸性能测试，拉伸断口微观形貌使用 Quanta 型扫描电镜进行观察拍照，其中拉伸性能测试每组测量两个试样，最后取其平均值，拉伸性能测试项目为抗拉强度（R_m）、屈服强度（R_p0.2）、断后伸长率（A），室温拉伸加工试样如图 1 所示。

2、结果与讨论

金相组织

图 2 为TA15钛合金薄板的微观组织，由图 2可知，经薄覆叠轧以及退火处理后，薄板的组织主要由α晶粒组成，在各α晶粒之间存在黑色的残余β 相，薄板的 RD 与 TD 方向微观组织接近，无明显差异，组织中α晶粒的形貌以等轴状与细长条状为主，存在一定的轧制加工形貌。TA15 合金板坯在轧制过程中，板坯中的原始α晶粒受到外应力作用发生变形，其中形变后的α晶粒形貌主要受到变形程度、板坯成分以及变形温度等因素影响，板坯在轧制过程中，随着变形量的增加，组织中的原始α晶粒会被压扁，进而发生破碎，并且沿着轧制的方向发生扭曲、拉长[8]。随着轧制不断进行，当变形程度达到一定程度后，薄板的组织中会有细长条状组织形成，这是由于在塑性变形过程中，板坯的基面以及柱面在滑移时，α晶粒的取向并未改变，仅绕着c 轴旋转，此时，锥面产生的滑移与基面和柱面不同，使得α晶粒产生一定倾斜，倾斜会使α晶粒产生旋转，进而形成长条状组织，在随后的退火处理中，组织中发生再结晶现象，最终形成等轴α晶粒[9]。

拉伸性能

图 3 为TA15钛合金薄板的室温拉伸性能，由图 3 可知，薄板 TD 与 RD 方向的抗拉强度（R_m）分别为 1064 与 1071 MPa，屈服强度（R_p0.2）分别为 1022 与 1033 MPa，而两个方向的断后伸长率（A）分别为 14.5% 与 15%。经对比发现，薄板 TD与 RD 方向的拉伸性能十分接近，说明薄板组织十分均匀无明显的各向异性。

在强度方面，薄板具有较高的强度，这是因为板坯在轧制过程中，组织会产生巨大的变形，在点阵内部产生较大的畸变能，增加组织中的储存能，原始晶粒破碎过程中，在晶界位置会有再结晶产生，在退火过程中形成十分细小均匀的组织，室温拉伸时，位错在滑移，细小的晶粒形成较大的阻碍作用，同时细小的晶粒更加容易形成位错塞积，位错若要继续滑移，则需要更大的外应力，导致薄板具有较高的强度[10]。薄板在具有较高强度同时，其具有较高塑性，这是因为组织中的α晶粒主要以等轴状为主，等轴α相的协调性好，同时存在较多可开动滑移系，在拉伸过程中，滑移率先在具有较大位向因子的等轴α相中进行开动，等轴α相含量越多，拉伸时形成的变形会快速分散到等轴α晶粒中，避免在极少数的晶粒中发生应力集中，而导致薄板发生断裂，故薄板具有较高的塑性[11]。

断口形貌

图 4 为薄板的室温拉伸微观断口形貌，由图 4可知，薄板 TD 与 RD 方向的断口微观形貌几乎一致，二者均由大量等轴状韧窝构成，在尺寸较大的韧窝中包含众多小韧窝，此断口形貌具有明显的韧性断裂特征，断口形貌中韧窝的数量与尺寸代表薄板塑性的高低，当韧窝数量多，尺寸大时，其塑性高，而韧窝数量少，且尺寸小，其塑性低。在图 4的断口形貌中，除包含大量韧窝外，还包含少量的小平面，小平面十分光滑且圆润，同时发现一定数量的二次裂纹，二次裂纹与小平面的出现，表示薄板具有高塑性的同时，还具有较高的强度，这是因为组织中除具有大量等轴晶粒外，还有少量的长条状晶粒以及残余 β 相，位错在受到阻碍的同时，还会导致位错的运动方向发生少量的偏移所致，这与薄板的实际拉伸性能一致。

3、结束语

（1）薄板的组织主要由α晶粒组成，在各α晶粒之间存在残余β相，α晶粒的形貌以等轴状与细长条状为主，存在一定的轧制加工形貌。

（2）TD 与 RD 方向的拉伸性能十分接近，说明薄板组织十分均匀无明显的各向异性。

（3）断口微观形貌均由大量等轴状韧窝构成，具有明显的韧性断裂特征，除包含大量韧窝外，还包含少量的小平面，小平面十分光滑且圆润，同时发现一定数量的二次裂纹。

参考文献

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[7]刘航，李伟，张镜斌.TA15钛合金双重热处理三态组织中的片层α尺寸研究. 热加工工艺，2021，50(14)：142

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[11]李敏娜，吴晨，马保飞，等. 大规格 TC11 钛合金棒材热处理后 组 织 与 性 能 分 布 规 律 性 研 究 . 钛 工 业 进 展 ， 2022， 39(1)：12

基金项目：自 治 区 重 点 研 发 计 划 资 助 项 目（2022B01029）；自治区创新环境（人才、基地）建设专项资助项目（2020D14041）。

作者简介：杨铮（1995—），男，陕西商洛人，本科，钛合金加工助理工程师，主要从事钛及钛合金塑性成型工作。通信地址：新疆湘润新材料科技有限公司，E-mail：2271236647@qq.com。