航空高温部件用TA15钛合金广域温度下的力学性能

TA15（Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V）钛合金作为典型的近α钛合金，由于其优异的强度、耐蚀性能和高温性能，在航空航天、船舶等领域广泛应用[1-3]。在飞机上重要的高温部件中，TA15钛合金的使用温度范围为450~600℃[4]。因此，了解和探索TA15钛合金在不同温度下的力学性能具有重要意义。

高温力学性能是TA15钛合金最有优势的指标之一，其热变形和拉伸行为已经得到了广泛研究。ZhaoHJ等[5]比较了TA15钛合金在750、800和850℃的球化机制，发现随着热变形温度的增加，断裂机制从韧性断裂变为晶间断裂。根据流变应力、体积分数和晶粒尺寸测试结果，FanXG等[6]在1133~1253K范围内对TA15钛合金的热变形行为进行了研究。陈源等[1]根据高温拉伸和电子背散射衍射（ElectronBackScatterDiffraction，EBSD）结果，发现所有Ti55钛合金样品在885℃以上均表现出良好的超塑性和软化效应。LiuG等[7]研究了750℃时高应变速率下TA15钛合金的变形机制。ZhaoJ等[81分析了750℃下TA15钛合金拉伸变形的不均匀性和沿轧制方向的滑移模式，以及合金的晶体学织构和材料性能，以了解TA15钛合金在热变形过程中的织构演变[9]。Gao PF 等[10]基于TA15钛合金等温压缩试验的微观组织与热变形行为，发现层状α相的流动应力和软化速率高于等轴α相，这导致变形更易发生。综上，研究人员主要是探究TA15钛合金在一定温度范围内的高温拉伸性能，少有探究在广泛温度区间内的拉伸性能的变化。

此外，钛合金作为极具高温应用价值的材料，其高温耐磨性能呕需国内外的研究学者进行探究。

LouM等[11]对TC4钛合金在350和550℃下进行了销盘式滑动磨损试验，发现氧扩散区减少了亚表面的塑性变形，有助于提高耐磨性。Mengis L等[12]研究了基TiAl合金的高温滑动磨损行为，发现磨损表面形成的富铝和富钛氧化皮可最大限度地减少金属与金属的直接接触。ZhangZN等[13]和MaoYS等[14]探究了激光增材制造TC4钛合金在不同温度下的耐磨性，发现随着温度升高，磨损机制从磨料磨损为主转变为氧化磨损为主。综合分析，目前研究人员主要针对TC4钛合金进行了高温磨损性能的探究，少有学者对TA15钛合金的高温磨损性能进行分析。

为了研究服役温度对TA15航空钛合金拉伸强度、延展性、耐磨性和微观结构的影响，进行了5组试验。本研究的目标是：探究不同温度下从室温到800℃高温的拉伸性能；研究不同温度下的摩擦和磨损性能；分析温度对拉伸断口表面、磨损机制和微观结构的影响。

1、材料与试验过程

1.1 材料及表征

试验使用的TA15航空钛合金的化学成分如下（%，质量分数）：Al-6.69，Mo-1.77，V-2.25，Zr2.26，Fe-0.14，Ti-余量。金相试样在磨削、抛光后，使用1%HF+1.5%HCl+2.5%HNO，+95%H,O配置的化学腐蚀液进行腐蚀处理，处理时间为45s。通过X射线衍射（X-rayDiffraction，XRD）、扫描电子显微镜（ScanningElectronMicroscope，SEM）、能谱仪（Energy Dispersive Spectroscopy，EDS）和激光共聚焦显微镜对试样中的物相、微观组织、元素分布及磨损形貌和尺寸等进行观察。

1.2 力学性能测试

高温拉伸试验设备和样品尺寸如图1所示。

试验温度为：室温（25℃）、200、400、600和800℃，加载速度为1mm·min，初始标距为50mm。高温拉伸试验参照CB/T228.2—2015[15]高温摩擦和磨损试验采用配有高温炉的Rtec通用摩擦仪（Rtec，SanJose，USA），该炉可升温至1000℃，加热速率为100℃·min"1，并在测试后进行炉冷却（图2）。采用球盘式磨损试验装置，磨球为直径为Φ9.525mm的Si,N4陶瓷球，设定载荷为10N，滑动速度为50mm·s-，半径为R8mm，试验时长为20min。摩擦磨损试验参照CB/T3960一2016[ 16] 。

2、结果与分析

2.1 微观组织分析

图3a~图3e对比了25~800℃保温20min后的TA15钛合金的微观组织，发现拉伸试验温度对材料微观形貌的影响较小。图3f为不同测试温度下所有样品的XRD图样，微观结构形态和XRD结果均表明材料组织中存在大量等轴初生α相和β相。但是由于试样内部存在应力，导致晶格间距发生变化，进而导致衍射峰的位置发生偏移。其中，压应力会导致晶面间距减小，衍射峰向高角度（高20值）偏移；而拉应力则导致晶面间距增大，衍射峰向低角度（低20值）偏移。

图4为TA15钛合金的元素分布图。Ti、Al和V是TA15的主要元素，占90%以上的重量百分比。

EDS映射结果显示，Ti和Al元素主要分布在α相中，而Mo和O元素主要分布在β相中，V元素在整个表面均匀分布。2.2 不同温度下拉伸性能分析图5为不同温度下进行拉伸测试后得到的工程应力-工程应变曲线，在各曲线上标注了对应温度下的极限抗拉强度。室温25℃下的抗拉强度约为966MPa，并且随着测试温度的增加，抗拉强度迅速下降。200、400、600和800℃下的抗拉强度分别为799、710、466和72MPa。然而，在600和800℃下的拉伸伸长率非常高。但是，在200和400℃时拉伸强度和伸长率均较室温下有所下降。

TA15钛合金可长时间（3000h）于500℃环境下进行工作，所以TA15钛合金主要用于制造500℃以下长时间工作的飞机、发动机零件和焊接承力零部件。另外，在500℃以下TA15钛合金不会出现相变等现象，所以在此温度区间内随着拉伸试验温度的升高，抗拉强度和伸长率均下降。然而，在600℃及以上，材料的软化现象显著，塑性增强，伸长率出现显著的提高[17]。

图6为不同温度下拉伸断口的表面形貌，断口表面均存在大量的韧窝，说明所有样品均为韧性断裂。随着测试温度从25℃增加至800℃，韧窝尺寸增大，在600和800℃时出现的大韧窝是降低拉伸性能的主要原因之一。此外，高温下更严重的颈缩也表明TA15钛合金在高温下具有更高的塑性变形能力，这与图5中的伸长率结果类似。

EDS用于检测微观结构和断口表面上析出颗粒的元素含量，结果如图7和表1所示。所有测试温度下的结果均表明基体和韧窝边缘以Ti元素为主。

然而，析出颗粒的组成成分差异显著，Fe或Al是最重要的元素，除此之外，高含量的O也表明高温下测试的氧化现象非常严重。

2.3 不同温度下磨损性能分析

图8为摩擦因数的变化情况，整体来看，摩擦因数随着温度的增高逐渐下降，从25℃下的0.279逐渐下降到600℃的0.224。然而，在800℃时，由于高温下的良好塑性，摩擦因数突然增加。综合对比测试结果发现600℃时的摩擦因数最小。图9为磨损形貌与几何尺寸的对比。平均磨损宽度（图9g）和平均最大磨损深度（图9h）根据10次测量结果计算后得出，计算方法如图9f所示。其中，为误差，X，为第i条测试线的宽度，i=1，2，…，N，N为数据点的数量，取10，X为测试线的平均宽度。在200和400℃下，磨损宽度变化较大。尽管在600℃时磨损宽度的误差最小，但磨损深度的误差最高，这是因为部分划痕太深，这说明了磨粒磨损为主要磨损形式。当测试温度为800℃时，试样被挤压和变形，导致磨损宽度显著增加（约为2300μm）。此外，此时出现的粘着磨损导致明显的局部撕裂。

图10为不同温度下摩擦磨损试验后试样的质量变化。在25~600℃的范围内，均表现为TA15钛合金试样总质量的下降。然而，600℃条件下的质量损失显著高于更低温测试条件的，这是因为更高的试验温度会导致TA15钛合金硬度的下降与塑性的提高（图5、图9g和图9h）。而800℃测试时总质量不降反升，这是由于高温软化和粘着磨损，部分磨球转移到试样表面，使总质量增加了0.0194 g。

通过扫描电镜观测可以进一步确认不同温度下试样的磨损机制。图11a显示室温下磨损机制主要为磨粒磨损，机械犁削现象明显。图11b和图11c显示200和400℃下的磨损机制类似，明显出现剥离，并伴随有少量颗粒。600℃下磨痕的宽度变化较小（图11d），表明在机械磨损的基础上，压实非常明显。此外，磨球和工件之间的高温焊接导致轻微撕裂。然而，图11e显示800℃下由于热软化效应导致严重挤压变形。与600℃相比，在摩擦磨损试验中，磨球与试验材料的黏附效果更严重，这导致总质量增加（图10）。

3、分析与讨论

过高的测试温度可能导致显著的软化效应。从宏观角度来看，高温能够促使塑性变形，导致屈服强度、抗拉强度降低，变形更容易发生[4-5]。从微观角度来看，当应变速率恒定时，测试温度会影响微观结构的变形。晶界是阻碍位错移动的重要障碍之一，随着测试温度的增加，晶界强度和位错阻力均会减小。因此，在拉伸破碎后，粗大的初生α相会变得更小且分布均匀。此外，增加的原子动能使高温下的塑性变形更容易发生。当变形温度高于600℃时，TA15钛合金的延展性和塑性显著提高，因此，TA15钛合金板材的适宜成形温度应在600℃以上，此温度下，增加的晶界滑移系统可减小阻碍塑性变形的力量，降低屈服强度，并增强TA15钛合金的塑性成形能力。因此，图5显示在800℃时其伸长率非常高，约为31%。但是，抗拉强度减小至约72MPa，这与文献［18]的结果接近。

如果测试温度低于600℃，由于位错密度增加而产生的加工硬化非常明显。随着测试温度的增加和应变应力的减小，TA15钛合金中可移动位错密度在整体位错密度中的比例增加，此时，增加的位错密度会降低TA15钛合金的流动应力[1.619]。因此，尽管TA15钛合金在高温（800℃）时较软，但冷却后的显微硬度最高，约为360.9HV。

基面和圆柱滑移系统是TA15钛合金α相的主要位错滑移系统[20]。随着测试温度的增加，其他滑移系统的临界剪切应力降低，锥面、一阶锥面和二阶锥面的滑移系统也会启动。此外，随着温度的增加，空位的扩散驱动位错沿垂直于滑移平面的方向攀移。然而，在高温变形过程中，缺乏微观变形机制的原位表征使得微观变形机制的分析变得困难。

在本实验中，高温（600℃）的软化效应通常比位错运动引起的加工硬化效应更为明显，这也导致随着温度的增加拉伸强度下降。同时，不同的试验温度导致了不同的磨损机制和磨损质量变化（图12)。其中，w和h，分别为第i个试验的磨痕宽度和深度，结果显示：ws>w4>w,>Wz>W3，ha>h,>h,>hz>h3。从25~400℃主要表现为磨粒磨损，当磨损温度达到600℃时，材料的软化效应更显著，使其具有更高的拉伸塑性。当温度继续增加至800℃，材料过度软化，拉伸强度急剧下降。由于高温，磨球和工件之间发生了明显的粘着磨损。此外，软化的材料导致了更宽的磨损形态，并且由于粘附现象，总质量略有增加。

结论

（1）TA15钛合金室温下具有最高的抗拉强度，约为966MPa，并且微观结构由等轴初生α相和β相组成。

（2）当测试温度高于600℃时，由于高温软化效应明显强于加工硬化效应，TA15钛合金的塑性和抗拉延伸性迅速增加。

（3）TA15钛合金的磨损机制与摩擦磨损试验的温度紧密相关，在25~400℃时以磨粒磨损为主，在600和800℃时，以氧化磨损为主，伴随有粘着磨损和磨粒磨损。

（4）600℃下的TA15钛合金仍具有良好的力学性能，其较高的抗拉强度、塑性成形能力与耐磨性能有利于航空TA15钛合金的高温服役。

（5）针对高温服役的钛合金探索了大范围温度下的力学性能，从多方面分析了高温下的拉伸与磨损性能，补充了该材料的试验性能参考数据。

参考文献：

[1] 陈源，李淑慧，李永丰，等．TA15钛合金应力松弛行为宏微耦合本构建模［J]．机械工程学报，2022，58（12）：64-74.

Chen Y, Li S H, Li Y F, et al. Macro-micro coupled constitutive modeling for stress relaxation behavior of TA15 alloy sheet [J].Journal of Mechanical Engineering, 2022, 58 (12): 64-74.

[2] Wu H L, Sun Z C, Cao J, et al. Formation and evolution of trimodalmicrostructure during dual heat treatment for TA15 Ti-alloy[J]. Jourmal of Alloys and Compounds, 2019, 786: 894-905.

[3] 齐铭，安震，张凯，等．热处理对锻压TA15钛合金棒组织和性能的调控［J．锻压技术，2022，47（8）：193-199.

Qi M, An Z, Zhang K, et al. Regulation of heat treatment on mi-crostructure and properties of forged TA15 titanium alloy bar [J].Forging & Stamping Technology, 2022, 47 (8): 193-199.

[4] Hao F, Xiao J F, Feng Y, et al. Tensile deformation behavior of anear-α titanium alloy Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V under a wide temperature range [J]. Journal of Materials Research and Technology, 2020,9(3):2818-2831.

[5] Zhao H J, Wang B Y, Ju D Y, et al. Hot tensile deformation behavior and globularization mechanism of bimodal microstructured Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V alloy [J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China（English Edition)，2018,28（12)：2449-2459.

[6] Fan X G, Yang H, Gao P F. Prediction of constitutive behavior and microstructure evolution in hot deformation of TA15 titanium alloy [J]. Materials and Design, 2013, 51: 34-42.

[7] Liu G, Wang K H, He B B, et al. Mechanism of saturated flow stress during hot tensile deformation of a TA15 Ti alloy [J]. Materials and Design, 2015, 86:146-151.

[8] Zhao J, Lyu L X, Liu G, et al. Analysis of deformation inhomogeneity and slip mode of TA15 titanium alloy sheets during the hot tensile process based on crystal plasticity model [J]. Materials Science&Engineering A,2017, 707（8):30-39.

[9] Zhao J, Lyu L, Wang K H, et al. Effects of strain state and slip mode on the texture evolution of a near-α TA15 titanium alloy during hot deformation based on crystal plasticity method [J]. Journal of Materials Science and Technology, 2020, 38: 125-134.

[10] Gao P F, Zhan M, Fan X G, et al. Hot deformation behavior and microstructure evolution of TA15 titanium alloy with nonuniform microstructure [J]. Materials Science & Engineering A, 2017,689 (2): 243-251.

[11] Lou M, Alpas A T. High temperature wear mechanisms in thermally oxidized titanium alloys for engine valve applications [J].Wear,2019, 426-427(11)443-453.

[12] Mengis L, Grimme C, Galetz M C. High-temperature sliding wear behavior of an intermetallic -based TiAl alloy [J]. Wear, 2019,426-427 (11):341-347.

[13] Zhang Z N, Li Z, Pan S H, et al. Enhanced strength and hightemperature wear resistance of Ti6Al4V alloy fabricated by laser solid forming [ J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering,2022, 144 (11): 1-11.

[14] Mao Y S, Wang L, Chen K M, et al. Tribo-layer and its role in dry sliding wear of Ti-6Al-4V alloy [J]. Wear, 2013, 297 (1-2) : 1032-1039.

[15] GB/T228.2—2015，金属材料 拉伸试验第2部分：高温试验方法[S].GB/T 228. 2—2015, Metallic materials—Tensile testing—Part 2:Method of test at elevated temperature [S].

[16] CB/T3960—2016，塑料滑动摩擦磨损试验方法［S].GB/T 3960—2016, Plastics—Test method for friction and wear bysliding [ S].

[17] 牟建伟，于传军，汤海波，等．激光增材连接TA15钛合金显微组织及力学性能研究［J]．中国激光，2023，50（16）：221-228.

Mou J W, Yu C J, Tang H B, et al. Microstructure and mechanical properties of TA15 titanium component manufactured via laser additive connection [J]. Chinese Journal of Lasers, 2023, 50(16) : 221-228.

[18] Feng Y J, Cui G R, Zhang W C, et al. High temperature tensile fracture characteristics of the oriented TiB whisker reinforced TA15 matrix composites fabricated by pre-sintering and canned extrusion [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2018, 738: 164-172.

[19] 黄立国，庄伟彬，高志玉．Ti-6A1-4V-0.1B钛合金的热压缩变形行为［J]．稀有金属，2023，47（4）：512-519.

Huang L G, Zhuang W B, Gao Z Y. Compression deformation behavior of Ti-6Al-4V-0. 1B titanium alloy at elevated temperature [J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2023, 47 (4): 512-519.

[20] Shin D H, Kim I, Kim J, et al. Microstructure development during equal-channel angular pressing of titanium [J]. Acta Materialia,2003,51(4):983-996.