α相形态与含量对TA15钛合金力学性能的影响

薛 强，彭雯雯，曾卫东

(1.陕西宏远航空锻造有限责任公司，陕西 咸阳 713801)(2.西北工业大学 凝固技术国家重点实验室，陕西 西安 710072)

α相形态与含量对TA15钛合金力学性能的影响

薛 强1，彭雯雯2，曾卫东2

(1.陕西宏远航空锻造有限责任公司，陕西 咸阳 713801)(2.西北工业大学 凝固技术国家重点实验室，陕西 西安 710072)

通过对比分析具有不同初生α相含量和次生α相形态的TA15钛合金的力学性能，对该合金初生α相含量及次生α相形态与力学性能之间的关系进行了初探。结果表明：TA15钛合金中初生α相含量和次生α相的形貌对强度有较大的影响，对塑性的影响则不明显。初生α相含量增加，合金强度有所下降。当初生α相含量高于40%后，含量再增加对合金塑性提升并无益处。片层α相厚度增加和其排列有序度的增强使合金的强度有所提升，但片层α相厚度的进一步增加会使合金的强度下降。

TA15钛合金；等轴α相；片层α相；力学性能

0 引 言

TA15钛合金是一种与俄罗斯研制的BT20钛合金成分相近的高铝当量的近α型钛合金，其名义成分为Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V。该合金兼有α型和(α+β)型钛合金的特点，具有较高的抗蠕变性、耐腐蚀性以及良好的焊接性能，并具有较高的室温及中温强度和良好的热稳定性，长时间工作温度可达500 ℃，工艺塑性接近于(α+β)型钛合金，可制成板材、棒材、型材和锻件等航空航天领域用的结构件[1-2]。众所周知，钛合金的显微组织决定了其力学性能，而除了要求显微组织的均匀性外，对其组织参数(如β晶粒尺寸D、α集束尺寸d、α片层厚度b和初生α相的比例及形貌)的合理匹配也有着较高的要求，显微组织的控制对钛合金零件性能提升发挥着重要作用[2-3]。因此，如何控制TA15钛合金组织参数并保证产品力学性能，对于成功研制航空航天用结构件具有重要意义。

国内学者对TA15钛合金的组织和性能做了初步研究，主要集中在焊接性能、疲劳性能[4-8]以及热加工工艺优化方面[9-11]，而对于该合金初生α相含量以及次生α相形态对TA15钛合金力学性能影响的研究较少。因此，本研究对比分析具有不同初生α相含量和次生α相形态的TA15钛合金的力学性能，对初生α相含量及次生α形态与力学性能之间的关系进行了初探，从而为TA15钛合金零件的生产提供指导。

1 实 验

实验用原材料为经α+β两相区锻造后所得的6种TA15钛合金棒材，其化学成分(w/%)为：Al 6.3，Zr 1.97，Mo 1.4，V 1.4，O 0.08，N 0.01，Ti余量。其β相转变温度为990 ℃。沿6种棒材轴向分别切取试样，编号为1#～6#，并进行金相组织观测和力学性能测试。金相试样为φ5 mm×10 mm的小圆柱，经过粗磨、细磨和粗抛、细抛，随后用V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶3∶7的腐蚀剂腐蚀，在OLYMPUS PMG3金相显微镜下选区拍照，以观测其显微组织。拉伸试样根据GB/T 228—2002加工成标距为50 mm的标准试样，并在SUN20电子万能拉伸试验机进行力学性能测试。

2 结 果

2.1 显微组织

棒材在α+β两相区进行锻造，故所讨论的组织均为初生α+β转的混合组织，只是初生α相含量和次生α相形态及厚度有所不同，如图1和表1所示。

图1 不同试样的显微组织Fig.1 Microstructures of different samples

表1 不同试样等轴初生α相含量和片层α相厚度

Table 1 Content of primaryαphase and thickness ofαlayer with different samples

由图1可以看出，1#试样和3#～6#号试样均为双态组织，由等轴初生α相、片层次生α相和β残相组成。其中，1#、3#和4#试样的等轴初生α相含量均为40%，只是次生α相形态及厚度表现各异。1#试样的片层次生α相较细，约为0.62 μm，排列具有一定方向性但还是较乱(图1a)，而3#试样的片层次生α相厚度有所增加，约为1.84 μm，且片层α相排列整齐具有较好的方向性(图1c)，4#试样片层α最为混乱(图1d)。5#和6#试样的等轴初生α相含量有所增加，约为45%，而片层次生α相排列均较为一致，具有较好的方向性(图1e和f)，6#试样片层α厚度(2.18 μm)较5号试样的厚(1.71 μm)。与上述试样相比较，2#试样等轴初生α相含量最多，达到60%,为典型的等轴组织，显微组织中存在少量的片层α相，其厚度约为1.35 μm，如图1b所示。

2.2 力学性能

组织决定性能，具有不同初生α相含量和片层次生α形态及厚度的试样呈现出不同的力学性能，如表2所示。由表2可知，其中等轴初生α相含量为40%且片层α方向性最好的3#试样具有最好的力学性能，其抗拉强度和屈服强度分别为1 017 MPa和957 MPa，延伸率和断面收缩率分别为15.5%和48.5%。然而，具有最多等轴初生α相含量(60%)的2#试样强度明显下降，其抗拉强度和屈服强度分别为944 MPa和861 MPa，而塑性较为稳定，延伸率和断面收缩率分别为17%和47%。由此可见，初生α相含量和次生片层α形态及厚度对TA15钛合金的抗拉强度和屈服强度影响较大，而对延伸率和断面收缩率影响较小，其具体影响机制将在下节进行阐述。

表2 不同试样的力学性能

Table 2 Mechanical properties of different samples

3 分析与讨论

3.1 初生α相含量对力学性能的影响

图3为不同初生α相含量下TA15钛合金的力学性能。由图3可知，初生α相含量对TA15钛合金的抗拉强度和屈服强度影响较大，而对延伸率和断面收缩率影响较小。初生α相含量从40%提高至60%时，试样的抗拉强度从1 017 MPa下降至944 MPa，屈服强度从957 MPa减少为861 MPa，两者降幅分别高达7.2%和10.0%。而延伸率和断面收缩率波动较小。其抗拉强度的减小与晶界处位错塞积程度下降有关。随着初生α相含量增加，片层α相含量相对减小，片状组织中由于同一α束具有相同的惯习面，位错能毫无阻碍地穿过互相平行的α束，垂直滑距长，易出现粗滑移带和微区变形不均匀，在晶界处易产生严重的位错塞积，然而片层α相含量减少则会引起位错塞积程度下降，因而合金表现出较低的强度[12]。另一方面，试样塑性基本保持不变的原因与其初生α相含量均高于40%有关。王金友等人[13]指出，当钛合金中初生α相含量超过20%后，其含量的增加对合金塑性并无太大的提高作用。王玉会等人[14]在研究不同变形量TA15钛合金的热处理行为时，也得到类似的结论，即初生α相含量20%以上时塑性基本保持不变。

图2 不同初生α相含量的TA5钛合金的力学性能Fig.2 Mechanical properties of samples with different content of primary α phase

3.2 片层α相形态和厚度对力学性能的影响

除初生α相含量对TA15钛合金的力学性能有影响外，片层次生α相形态及厚度对合金力学性能也有较大影响。为排除初生α相含量的干扰，本研究选取具有相同初生α相含量(均为40%)的1#、3#和4#试样来进行次生片层α相形态及厚度对合金力学性能影响的研究。图3为不同片层α相厚度对合金力学性能的影响。从图中可以看出，随着片层α相厚度的增加，合金的强度都有所增加，抗拉强度由949 MPa增加至1 017 MPa，屈服强度从由874 MPa上升到957 MPa，增加幅度分别为7.2%和9.5%。但塑性指标(延伸率和断面收缩率)基本保持不变。另外，从图1中可以看出，试样片层α相排列的有序度从4#试样的杂乱无章到1#试样的部分有序，再到3#试样的较为有序，有序度逐步增加，试样对应的强度也逐渐增加。由此可见，合金片层α相厚度和排列有序度的增加，有利于合金强度的提高。其原因与片层α相厚度增加导致位错穿过片层α相所需的能量增加，且方向性的增强也增加了位错滑移的距离，增加了位错塞积的长度和程度，因而合金的强度有所提升。但并不是片层α相厚度越厚越有利，当片层α相厚度超过一定值时合金的强度也会降低。从5#和6#试样可以看出，两者初生α相含量相近，次生α相取向也较为一致，而6#试样中次生片状α相厚度较5#试样的厚，合金的强度有所下降，表明次生α相厚度增加到一定程度后会使得材料的强度降低。至于不同片层α相厚度下TA15钛合金塑性的不显著变化仍与其40%等轴初生α相含量有关。

图3 不同片层α相厚度的TA15钛合金的力学性能Fig.3 Mechanical properties of samples with different thickness of α platelets

4 结 论

(1)初生α相含量和次生片层α相形态及厚度对TA15钛合金的抗拉强度和屈服强度影响较大，而对延伸率和断面收缩率影响较小。

(2)初生α相含量增加，合金的强度有所下降，且与晶界处位错塞积程度下降有关。初生α相含量高于40%后，初生α相含量增加对合金塑性提升并无益处。

(3)片层α相厚度增加和其排列有序度的增强使合金的强度有所提升，但片层α厚度的进一步增加会使合金的强度下降。

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Effect of Alpha Phase Morphology and Content on Properties of TA15 Titanium Alloy

Xue Qiang1，Peng Wenwen2，Zeng Weidong2

(1.AVIC Shaanxi Hongyuan Aviation Forging Co.，Ltd.,Xianyang 713801,China)(2.State Key Laboratory of Solidification Processing,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China)

The effects of different primaryαcontents and secondaryαmorphologies on properties of TA15 titanium alloy were investigated by analyzing the properties of samples with different α phase morphologies and contents. The results show that the content of primaryαand the morphology of secondaryαhave a great effect on the properties of TA15 titanium alloy, but have no obviously effect on ductility. With increasing content of primary α, the strength decreases slightly, whereas the content of primaryαis above 40%, the elongation and area reduction are nearly unchanged. The high orientation consistency ofαplatelets is helpful to the strength of TA15 titanium alloy, but the coarsen ofαphase will decline strength of the alloy.

TA15 titanium alloy; equiaxedα;αplatelets; mechanical properties

2014-05-25

新世纪优秀人才支持计划(NCET-07-0696)

薛强(1970—)，男，高级工程师。