航空航天用TA15鈦合金鍛件的相變 組織 拉伸性能

隨著TA15鈦合金在飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用日益廣泛，其半成品的品種不斷增加(如TA15鈦板、TA15鈦棒和TA15鈦鍛件等)，并且制造工藝也趨于多樣化。在 TA15半成品的研制過(guò)程中出現(xiàn)了很多新現(xiàn)象，這些現(xiàn)象需要從相變和組織的層面來(lái)解釋。鈦及鈦合金具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，TA15鈦合金主要包括體心立方結(jié)構(gòu) β 相和密排六方結(jié)構(gòu) α 相及 α′相。在不同溫度區(qū)間、不同冷卻條件下變形和熱處理，得到的組織與性能差別很大 [1?4] 。因此，很有必要系統(tǒng)地研究不同溫度區(qū)間、不同冷卻條件下TA15合金的相組成、形態(tài)及相應(yīng)性能間的關(guān)系。

本研究把工藝—相組成—顯微組織—性能結(jié)合起來(lái)，對(duì)不同溫度、不同冷卻方式后的相成分、形態(tài)及相應(yīng)的力學(xué)性能形成較系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，以用于指導(dǎo)TA15合金的半成品生產(chǎn)、質(zhì)量控制及失效分析。

1、實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用TA15鈦合金為直徑15mm軋棒，β轉(zhuǎn)變溫度為 987 ℃，其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：Al 6.56，Mo 1.74，V 2.29，Zr 2.20，O 0.12，N 0.003，H 0.004 6，余量 Ti。

首先從合金相組成的角度考慮，選擇 β 區(qū)(1020℃)、α+β 區(qū)上部(970 ℃)、α+β 區(qū)中部(900 ℃)及 α+β區(qū)下部(800 ℃)的 4 個(gè)典型溫度，保溫1h后以3種冷卻方式(即水淬(WQ)、空冷(AC)和爐冷(FC))進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究溫度與冷卻方式對(duì)相組成和顯微組織的影響。力學(xué)性能測(cè)試試樣都經(jīng)過(guò) 800 ℃，1 h，AC 處理。

試樣經(jīng)熱處理后加工成標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣，然后進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試與觀察，在 Instron?4507 試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試?yán)煨阅埽?FEI Quanta600 掃描電子顯微鏡上進(jìn)行組織觀察分析。材料的相組成分析通過(guò) X 射線衍射并結(jié)合金相觀察完成。X 射線衍射儀器型號(hào)為 D8Advance，實(shí)驗(yàn)條件為 Cu K α 、40 kV、40 mA，對(duì)照卡片：密排六方 α-Ti 為 44-1294、體心立方 β-Ti 為65-5970。

另外，馬氏體 α′相和 α 相有相同的密排六方點(diǎn)陣，而且點(diǎn)陣常數(shù)相近，在實(shí)驗(yàn)中 α′相和 α 相的 X 射線譜沒(méi)有差別。據(jù)文獻(xiàn)[5]：α′相的特點(diǎn)只是相干涉的最大強(qiáng)度線較模糊，但是 α 相在冷作硬化或表面吸收氣體時(shí)也可以觀察到線條很模糊。因此，α 相與 α′相在衍射中是難以區(qū)分的，但可以結(jié)合金相觀察加以確認(rèn)。

2、結(jié)果與討論

2.1 熱處理對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響

圖 1 所示為不同溫度、不同冷卻條件下 TA15鈦合金的相組成和顯微組織。結(jié)合衍射結(jié)果(見(jiàn)圖 2)和金相觀察(見(jiàn)圖 1)，可見(jiàn)TA15軋棒在4種溫度下的空冷、爐冷組織都是 α+β 兩相組織，但是組織參數(shù)、形貌及初生 α 的體積分?jǐn)?shù)有很大區(qū)別，爐冷狀態(tài)下的 β 相基本上都是晶間 β 的形貌。1020 ℃水淬為全馬氏體，沒(méi)有殘余 β 相，而在相變溫度以下的 970 ℃和 900 ℃水淬后都得到初α_初 +馬氏體 α′。

由圖1可知，隨著冷卻速度的降低，在 β 區(qū)(1020℃)處理時(shí)，材料的顯微組織由馬氏體α′相向針狀(α+β)相和片狀(α+β)相轉(zhuǎn)變；而在(α+β)區(qū)上部(970 ℃)及中部(900 ℃)，組織則由初生 α+馬氏體 α′相向初生 α+針狀(α+β)和等軸 α+晶界 β 演變。在 800 ℃處理，以不同速度冷卻后其相組成都是 α 和 β 兩相組織，即在約800 ℃的溫度以下加熱即使快速水淬也得不到馬氏體α′。說(shuō)明其合金冷卻線不可能與馬氏體轉(zhuǎn)變起始線(M s )相交，研究表明第二臨界溫度約為 830 ℃，與 TC4 合金的相近(相應(yīng)溫度為 815 ℃左右) [6] 。

2.2 熱處理對(duì)力學(xué)性能的影響規(guī)律

TA15鈦合金不同溫度水淬、空冷及爐冷條件下的力學(xué)性能變化見(jiàn)圖3和4。總體來(lái)說(shuō)：在β區(qū)(1 020 ℃)、(α+β)區(qū)上部(970 ℃)及中部(900 ℃)處理時(shí)，TA15 合金的室溫和高溫強(qiáng)度隨冷卻速度降低而下降，尤其是在 1 020 ℃及 970 ℃處理時(shí)最為明顯；而在相同的冷卻條件下，隨著熱處理溫度的提高，TA15 合金的室溫和高溫強(qiáng)度明顯提高。而在(α+β)區(qū)下部(800 ℃)處理時(shí)，其強(qiáng)度幾乎與冷卻方式無(wú)關(guān)，800 ℃熱處理合金的室溫強(qiáng)度甚至高于 900 ℃熱處理合金的室溫強(qiáng)度。

其中，在 1 020 ℃熱處理時(shí)，合金塑性最差(見(jiàn)圖3(c)和(d)、圖 4(b)和(c))。合金塑性隨溫度變化沒(méi)有明顯規(guī)律。

由圖 3 和圖 4 可知，在全面的實(shí)驗(yàn)方案中，970 ℃時(shí)的空冷方案具有最佳的強(qiáng)度與塑性匹配。

2.3 組織、相變與力學(xué)性能的關(guān)系

無(wú)論是在 β 區(qū)還是在 α+β 區(qū)處理，加快冷卻速度對(duì)合金的強(qiáng)化效果符合近 α 和 α+β 型鈦合金的一般規(guī)律：即水淬的強(qiáng)度高于空冷的，更高于爐冷的(見(jiàn)圖 3和 4)。但是應(yīng)當(dāng)注意到 TA15 合金即使是在水淬條件下其強(qiáng)化效果也很有限，與空冷條件下相比提高幅度約在 80 MPa 以內(nèi)，強(qiáng)化效果不足 10%，且主要體現(xiàn)在 1 020 ℃和 970 ℃等高溫段的處理。據(jù)文獻(xiàn)[6]，Ti6Al4V 合金(退火狀態(tài) β 相含量約 10%~15%)的最高強(qiáng)化效果不到 25%；BT16 合金(Ti-2.5Al-5Mo-5V)的最高強(qiáng)化效果為 75%；BT22 合金(Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr)的最高強(qiáng)化效果達(dá) 80%~85%。可見(jiàn)，TA15 的強(qiáng)化效果是相當(dāng)弱的。隨著熱處理溫度的降低，強(qiáng)化效果將進(jìn)一步下降。這種有限的強(qiáng)化效果主要是與 TA15合金屬于合金化程度低、β 穩(wěn)定元素含量相對(duì)較少(β相的含量 5%~7%)的近 α 合金有關(guān)，而馬氏體 α′的強(qiáng)化效果不顯著。CAMPBELL 等 [7] 的研究結(jié)果指出：近α 鈦合金的熱處理強(qiáng)化效果較低，但隨著 β 穩(wěn)定元素的增加，熱處理強(qiáng)化效果逐漸增加，β 相約在 50%時(shí)可得到最高的強(qiáng)化效果。

本研究中 800 ℃熱處理下 TA15 合金的強(qiáng)度幾乎與冷卻方式無(wú)關(guān)，并且出現(xiàn)了室溫下 800 ℃熱處理的強(qiáng)度高于 900 ℃熱處理的情況。這主要是因?yàn)?800 ℃溫度比較低，屬于不完全退火溫度，800 ℃熱處理的顯微組織無(wú)論是水淬還是爐冷都與空冷相似，都沒(méi)有發(fā)生明顯的相變，即加熱過(guò)程既沒(méi)有明顯的 α 相向 β相的轉(zhuǎn)變，冷卻過(guò)程也沒(méi)有明顯的 β 相向 α 相的析出，而 900 ℃處理則已經(jīng)發(fā)生了明顯的再結(jié)晶。這種現(xiàn)象在 TA15 小直徑棒材退火中普遍存在。

相變點(diǎn)以上的 1 020 ℃的空冷(見(jiàn)圖 1(a2))或爐冷組織(見(jiàn)圖 1(a3))是不正常的過(guò)熱組織，這可能是由于加熱溫度過(guò)高或局部激烈變形時(shí)變形熱超過(guò)相變點(diǎn)造成的。970 ℃的空冷組織(見(jiàn)圖 1(b2))屬于雙態(tài)組織，初生等軸 α(15~30 μm)體積分?jǐn)?shù)在 25%左右，有細(xì)小的次生再結(jié)晶 β 晶粒，以及編織有序的 β 轉(zhuǎn)變組織，是鍛件中最常得到的，具有優(yōu)異的綜合性能。

3、結(jié)論

1) 在1 020~900 ℃熱處理，隨著冷卻速度的降低，1 020 ℃熱處理時(shí) TA15 合金的顯微組織由馬氏體 α′相向針狀(α+β)相和片狀(α+β)相轉(zhuǎn)變，970 ℃及 900 ℃熱處理時(shí)組織則由初生 α+馬氏體 α′相向初生 α+針狀(α+β)和等軸 α+晶界 β 演變；相應(yīng)的室溫和高溫強(qiáng)度隨冷卻速度降低明顯下降，冷卻速度相同時(shí)，強(qiáng)度隨溫度升高而提高。

2) 在 800 ℃熱處理時(shí)，不同冷卻方式下合金均為α 和 β 兩相組織，其強(qiáng)度和塑性與冷卻速度關(guān)系不大。

3) TA15 合金在 970 ℃加熱時(shí)，空冷得到的組織屬于雙態(tài)組織，具有優(yōu)異的綜合性能。

參考資料

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