退火溫度對TA15鈦合金棒顯微組織和力學性能的影響

引言

TA15鈦合金是一種航空領域使用的材料，相當于19世紀60年代前蘇聯(lián)研制的BT20鈦合金，兼具α和α-β型鈦合金的優(yōu)點，具有良好的耐熱性、強度、塑性、韌性、耐蝕性和抗疲勞性能等［1-3］，還具有良好的加工性能，使用溫度可達500℃，已成功應用于飛機承力框、防護罩和發(fā)動機零件等，是國內最成熟、應用最廣泛的鈦合金之一［4-7］。

TA15鈦合金的性能與其組織密切相關［8］。TA15鈦合金通常要進行退火處理，退火溫度的選擇尤為重要［9-11］。本文對TA15鈦合金進行了不同溫度的退火處理，研究了退火溫度對其顯微組織和室溫及高溫力學性能的影響。

1、試驗材料和方法

試驗用TA15鈦合金采用真空自耗爐三次熔煉，鑄錠尺寸為φ760mm×2000mm，化學成分如表 1 所示。

清除鑄錠表面的異物，涂刷防護涂層，在20t臺車式燃氣爐中分段加熱，即800℃預熱150min，升溫至1150℃保溫3h后鍛造開坯成φ600mm×1000mm坯料。鍛造工藝為:首先用60MN快鍛機在β相區(qū)(1000～1150℃)進行多次自由鍛，變形量為40%～45%;隨后在α-β兩相區(qū)(940～970℃)進行多次自由鍛，變形量為35%～45%;最后采用20MN快鍛機在α-β兩相區(qū)(920～950℃)進行2火次拔長和摔圓成棒材，變形量為15%～40%，直徑為350mm。將棒材制備成φ350mm的退火處理用試棒，分別在760℃、800℃和840℃保溫2h空冷至室溫。

將退火后的試棒按GB/T228.1-2010加工成標距為25mm、標距直徑為5mm的拉伸試樣，采用AG-X萬能拉伸試驗機進行室溫和高溫(500℃)拉伸試驗，應變速率為10^-3s^-1。

制備金相試樣，然后采用JSM-6510型掃描電子顯微鏡進行金相檢驗和拉伸斷口分析。

2、結果與討論

2.1顯微組織

圖1為TA15鈦合金經(jīng)不同溫度退火后的顯微組織。從圖1可以看出，TA15鈦合金顯微組織主要由初生α相和α+β兩相組成，退火過程中合金不僅發(fā)生了再結晶，相成分和相比例也發(fā)生了變化。

圖 1 760 ℃(a)和 840 ℃(b)退火的 TA15 合金的顯微組織

在較低溫度(760℃)退火的合金中初生α相含量較高而球化程度不足，如圖1(a)所示。隨著退火溫度的提高(840℃)，β相轉變的組織逐漸增多，其中細小的α相分布雜亂，如圖1(b)所示。這種組織有利于提高合金的強度，但高溫下充分球化也使其塑性略微降低。

2.2力學性能

2.2.1室溫力學性能

圖2為退火溫度對TA15鈦合金室溫力學性能的影響。由圖2可知，隨著退火溫度的升高，TA15鈦合金的抗拉強度升高，屈服強度先升高后略微下降，斷后伸長率降低。這與TA15鈦合金強度隨退火溫度的升高而升高的規(guī)律相同［12］。

圖 2 退火溫度對 TA15 鈦合金室溫力學性能的影響

圖 3 退火溫度對 TA15 鈦合金高溫力學性能的影響

2.2.2高溫力學性能

圖3為TA15鈦合金的高溫力學性能隨退火溫度的變化。從圖3可以看出，隨著退火溫度的升高，合金的高溫抗拉強度和屈服強度逐漸升高，而高溫斷后伸長率逐漸降低。與室溫拉伸性能相比，高溫抗拉強度比室溫的約低300MPa，而斷后伸長率比室溫的約高5%。

3、斷口分析

3.1室溫拉伸斷口

圖4為760℃和840℃退火的TA15鈦合金室溫拉伸斷口的微觀形貌。圖4表明，TA15鈦合金的室溫斷裂機制均為韌性斷裂，塑性較好。隨著退火溫度的升高，拉伸斷口的韌窩變小和變深，表明斷后伸長率逐漸升高［13］。

圖 4 760 ℃(a)和 840 ℃(b)退火的 TA15 鈦合金室溫拉伸斷口的掃描電鏡形貌

3.2高溫拉伸斷口

圖5為TA15鈦合金高溫拉伸斷口的微觀形貌，斷口有明顯的韌窩，顯示出韌性斷裂特征。高溫(840℃)退火的合金高溫拉伸斷口韌窩直徑較低溫(760℃)退火的合金細小，并且隨著退火溫度的降低，合金的拉伸斷口韌窩逐漸變深。因此，高溫退火的合金塑性較好。這可能與高溫拉伸過程中裂紋擴展速率較小有關。

圖 5 760 ℃(a)和 840 ℃(b)退火的 TA15 鈦合金高溫拉伸斷口的掃描電鏡形貌

4、結論

(1)隨著退火溫度的升高，TA15鈦合金中β相轉變的組織逐漸增多，細小的α相充分球化且分布雜亂。

(2)隨著退火溫度的升高，TA15鈦合金的室溫抗拉強度逐漸升高，室溫屈服強度先升高后有略微降低，斷后伸長率逐漸降低;高溫抗拉強度和屈服強度均隨著退火溫度的升高而升高。

(3)TA15鈦合金以韌性斷裂為主，且隨著退火溫度的升高，拉伸斷口的韌窩直徑變大變淺。

參考文獻

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