TA15钛合金板材微观组织及疲劳性能研究

TA15钛合金的名义成分为Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，TA15钛合金属于高Al当量的近α型钛合金，其合金具有中等的室温和高温强度，良好的焊接性能和工艺塑性，在有温度要求的飞机结构件和发动机叶片、机匣及钣金件的制造方面具有广泛的应用（TA15薄板用于航空发动机机匣，厚板用于大截面构件）［1-３］。TA15钛合金作为近α型合金，其组织和力学性能对热处理工艺参数变化不敏感，因此热变形工艺参数的选择就显得尤为重要，如何制定严格的热成形工艺方案以控制微观结构的演变进而获得理想的性能是面临的主要问题。基于微观结构的控制优化材料性能，主要涉及微观组织结构和物相组成等方面。目前，大量的TA15钛合金研究主要集中在不同热加工条件下微观显微组织演变规律及其对性能的影响，TA15在两相区热处理时获得双态和等轴组织，在β相区热处理获得魏氏组织，冷却速率决定α片层和α集束的尺寸［４］。文献［5］认为，对于薄板而言，提高退火温度材料强度降低，塑性提高，而对厚板这种现象不明显，热处理参数的变化对TA15钛合金板材的显微组织影响不大.文献［6-7］研究表明，双重热处理过程中一次保温时间对等轴初生α_p相形貌及分布等影响较大；二次保温时间对α_ｓ相形貌、尺寸等具有显著影响。文献［8］研究了基于模拟轧制工艺对TA15组织及性能的影响.基于热加工条件下组织演变规律对力学性能的影响研究较少，而瞄准TA15合金宽幅板材工业化生产，在加工成型过程中板材组织及其对最终加工成型板材性能的影响还未开展深入的研究工作。

文中结合TA15合金宽幅板材的实际工业生产线工艺，研究工业化生产工艺条件下TA15合金板材的组织形态及其对力学性能的影响，研究疲劳断裂特征，以期相关研究能为从事相关工作的人员提供一定的参考。

1、材料与方法

TA15合金经1个火次轧制（轧制温度930℃）获得δ27mm厚板材，其加工过程如图1所示。

在MTS370液压万能试验机和高频疲劳试验机测试材料的拉伸和疲劳性能，并利用光学显微镜和JSM-6460扫描电镜观察板材的组织结构及物相组成，并对疲劳试样的断口进行了观察分析。

2、试验结果与分析

2.1微观组织

图2为TA15钛板的显微组织，横向及轧面组织均为典型的双态组织由初生α相和β转变组织组成。由图2可以看到，横向及轧面组织也有一定的区别：轧面组织的初生α相近似等轴，晶粒尺寸为25～４5μｍ（图2（ａ）），而横向组织中的初生α相有明显的方向性，初生α相为长条状，这是由于在轧制过程中，横向组织受到垂直方向的压力，导致初生α相受到挤压变形并产生一定的方向性。

图３为TA15板材的电子背散射衍射（Ｅｌｅｃ-ｔｒｏｎＢａｃｋＳｃａｔｔｅｒｅｄＤｉｆｆｒａｃTiｏｎ，ＥＢＳＤ）相图，其中不同衬度的区域晶格结构不同.与金相组织分析结果相同，显微组织由α相和β相组成，初生及次生α相所占比例较高，β相所占比例较低.图３中的黑点为数据扫描过程中出现的无效点。

2.2疲劳性能

在轧制后的TA15板材，切取试样毛坯，加工成杯状光滑疲劳试样，测试了室温下光滑试样的高周疲劳性能，疲劳试验在室温大气中进行，试验波形为正弦波，频率为117Hz，应力比犚＝０.1，根据升降法确定材料的疲劳极限.本试验所选取的最大应力分别为625MPa，640MPa，645MPa，650MPa，675MPa，750MPa和800MPa，每一级应力选取2根试样，取2根试样结果的算数平均值作为该应力下的疲劳寿命［9-10］.结果表明试样在σｍａｘ≤6４5MPa时，试样经1０7次循环均未断裂，故材料的疲劳极限为6４5MPa.由试样在上述不同应力下的疲劳寿命结果可以得到TA15板的应力S-循环数N曲线，如图４所示。

2.3 疲劳断口形貌

图5为样品在不同加载应力下的宏观断口形貌.由图5可以看出，在不同应力水平下疲劳试样低倍断口总体特征相同，断口均由裂纹源区Ⅰ、裂纹扩展区Ⅱ和瞬断区Ⅲ３个不同区域组成，并且疲劳裂纹源均萌生于样品表面.但是不同应力水平下疲劳断口中，裂纹扩展区Ⅱ在整个断口所占比例有所不同，图5（ａ）（8００MPa）中裂纹扩展区所占比例最小，图5（ｃ）（65０MPa）中裂纹扩展区所占比例最大，即TA15在疲劳试验中，随着应力水平的降低裂纹扩展区所占比例增加。

图6为同一应力水平下试样的断口形貌图（最大应力为75０MPa），图6（ａ）为断口宏观形貌，如图6（ｂ）～（ｄ）分别为疲劳源、裂纹扩展区和瞬断区的显微形貌.由图6（ｂ）可以观察到裂纹源区的微观形貌呈现解理和沿晶断口的特征，在图6（ｃ）裂纹扩展区可以观察到明显的疲劳辉纹，同时瞬断区呈现出韧窝和穿晶混合断口特征。

３、结论

1）由板材的金相显微组织图及EBSD相图的物相分析表明：TA15钛合金板材横向及轧面组织均为典型的双态组织，由初生α相和β转变组织组成，横向及轧面的初生α相形态有一定的差异。

2）采用升降法利用高频疲劳试验机得到了在应力比R＝０.1时，TA15板材的疲劳极限为645MPa。

３）由疲劳断口可以观察到疲劳裂纹萌生于试样表面，宏观断口形貌呈现典型的三个区域，即裂纹源区Ⅰ、裂纹扩展区Ⅱ和瞬断区Ⅲ.各区域断口微观特征分别为裂纹源区主要呈现为沿晶的解理断口，裂纹扩展区观察到明显的疲劳辉纹，瞬断区则出现大量韧窝并表现出穿晶断裂的断口形貌.同时，对比不同应力条件下的疲劳断口，可以发现随着应力强度的降低，裂纹扩展区面积逐渐增加。

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