冷却速率对TA15钛合金组织和性能的影响

崔 霞，贾鹏程，杜海明，欧阳德来

(1.南昌航空大学 材料科学与工程学院，南昌 330063；2.江西师范大学，南昌 330022)



冷却速率对TA15钛合金组织和性能的影响

崔 霞1，贾鹏程1，杜海明2，欧阳德来1

(1.南昌航空大学 材料科学与工程学院，南昌 330063；2.江西师范大学，南昌 330022)

利用可控冷却速率热处理装置对TA15钛合金进行了不同冷却速率下的β热处理工艺试验，研究了该合金冷却速率对微观组织和硬度的影响。结果表明：合金加热至1 020 ℃以上以不同冷却速率冷却后出现了两种类型的转变产物——马氏体和(α+β)片层组织；两种类型转变产物中的原始β晶粒形貌均清晰可见；(α+β)片层组织中α片终止于原始β晶界和其他α集束团，原始β晶粒内可形成多个α集束团，同一α集束内α片层相互平行；随冷却速率增加，α片层厚度先快速后缓慢减小，而集束尺寸则呈线性减小；增加冷却速率可提高(α+β)片状组织的硬度。

TA15钛合金；冷却速率；微观组织；硬度

0 引言

TA15钛合金是一种通用型高铝当量近α合金，名义成分为Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V。该合金为中等强度级别钛合金，具有良好的塑性，在高温下有较高的抗蠕变强度和持久强度，并具有优良的焊接和热稳定性能[1-3]。该合金主要用于制造500 ℃以下长时间工作的相关结构零件、承力结构件和一些温度较高、受力较复杂的重要结构零件，如发动机的各种叶片、机匣、飞机的各种钣金件、梁、接头、大型壁板以及焊接承力框等[4-6]。

随着航空材料从单纯的静强度设计向损伤容限设计准则转变，采用钛合金β工艺(β热处理或β热变形)取代传统的两相区(α+β)加工工艺以提高其损伤容限性能受到广泛关注[7-8]。钛合金片状组织因裂纹在其层片状α相内部扩展时的路经曲折，且裂纹分叉多，在破坏过程中消耗更多能量[9-10]，故片层组织的损伤容限性能比等轴、双态组织好，即断裂韧性最高，疲劳裂纹扩展速率最低[11-13]。因此，钛合金片层组织结构化是获取其高损伤容限性能的有效方法之一[14-15]。钛合金片层组织一般通过钛合金β热处理工艺而获得，也即加热至相变点以上温度后以一定冷却速率冷却而形成[16]。钛合金片层组织结构特征参数与β热处理工艺(加热温度、保温时间及冷却速率)密切相关。其中，冷却速率是影响片层组织结构特征及其性能的显著因素[15]。因此，本研究开展冷却速率对TA15钛合金组织和性能的影响研究，对该合金片层组织特征及其性能优化具有重要的意义。

1 实验材料及方法

实验材料为经(α+β)两相区锻造的TA15钛合金棒材。原始组织是(α+β)混合组织，由β转变组织基体上分布着一定数量的初生α相(图1)。差热分析法测量(α+β)/β相变点为(982±5) ℃。

图1 TA15钛合金原始组织

将材料切割成15 mm×15 mm×15 mm的立方体小块进行热处理试验。在可控冷却速率热处理装置中将合金加热至1 020 ℃，保温25 min，分别以0.5、1、2、5 ℃/min、空冷(约30 ℃/s)、水冷(约400 ℃/s)的冷却速率进行冷却。热处理后试样，经机械研磨、抛光及浸蚀制成金相试样，浸蚀剂为V(HF)：V(HNO3)：V(H2O)=1：3：7。显微组织观察及分析在TG3000型金相显微分析系统上进行。

2 结果与分析

2.1 微观组织类型

实验用TA15钛合金加热至1 020 ℃后以不同冷却速率冷却时出现两种类型的转变产物，如图2所示。图2a是针状形态马氏体，原始β晶界清晰可见；图2b为片层状形态(α+β)片状组织，白色部分为α相，黑色部分为β相，片层组织中原始β晶界清晰可见，原始β晶粒内形成多个α集束团，同一α集束内α片层相互平行，α片终止于原始β晶界和其他α集束团边界。

图2 TA15钛合金两种类型的转变产物

2.2 微观组织演变

图3为TA15钛合金在1 020 ℃加热保温25 min后经不同冷却速率的显微组织。可以看出，合金在水冷(图3a)和空冷(图3b)条件下均获得马氏体组织。冷却速率≤5 ℃/min(图3c～图3f)时，合金β相转变成(α+β)片状组织。值得注意的是，不管转变组织为马氏体还是片状组织，其原始β晶界形貌都清晰可见。从图3还可看出，当冷却速率为5 ℃/min时，α片层厚度(λ)和集束尺寸(d)分别约为5、100 μm。当冷却速率降至2 ℃/min时，α片层厚度和集束尺寸分别增加至9、140 μm；继续降低冷却速率至1 ℃/min时，α片层厚度和集束尺寸分别增加至14、160 μm；当冷却速率至0.5 ℃/min时，α片层厚度和集束尺寸已分别增加为22、170 μm。可见，冷却速率能显著影响片层组织特征参数(α片层厚度和集束尺寸)，α片层厚度和集束尺寸均随冷却速率降低而增大。

图3 冷却速率对TA15钛合金微观组织的影响

2.3 冷却速率对硬度的影响

合金在不同冷却速率下微观组织的差异必然会对其性能产生影响，而材料强度性能指标与硬度具有一定的对应关系，故本试验测量合金不同冷却速率下硬度性能指标来定性地反映冷却速率对强度性能的影响。图4为TA15钛合金冷却速率对其硬度的影响。可看出，随冷却速率降低，合金硬度降低，说明合金强度随冷却速率降低而降低。此外，合金经水冷和空冷后的硬度相差不大，说明不同冷却速率下获得马氏体硬度和强度相近。而不同冷却速率下获得(α+β)片状组织的硬度存在明显差异，说明(α+β)片状组织结构特征参数对硬度或强度具有显著影响。图5为TA15合金片层结构参数对合金硬度的影响关系曲线，从图中可以看出：随集束尺寸增加，合金硬度先缓慢降低后快速降低；随α片层厚度增加，合金硬度近似线性降低。说明降低α片层厚度和集束尺寸均可提高合金硬度。由于增加冷却速率降低了合金片状组织的α片层厚度和集束尺寸，故增加冷却速率可在一定程度上提高合金的硬度或强度。

图4 不同冷却速率对合金硬度的影响

图5 片层结构参数对合金硬度的影响

3 结论

1) TA15钛合金加热至β相变点以上、以不同冷却速率冷却后出现两种类型的转变产物，即马氏体和(α+β)片层组织。

2) (α+β)片层组织中原始β晶界清晰可见，α片终止于原始β晶界和其他α集束团边界，原始β晶粒内可形成多个α集束团，同一α集束内α片层相互平行。

3) 合金冷却速率≤5 ℃/min时均可获得(α+β)片状组织，且随冷却速率增加，α片层厚度先快速后缓慢减小，而集束尺寸则呈线性减小。

4) 提高冷却速率减小了合金片状组织的α片层厚度和集束尺寸，从而提高(α+β)片状组织的硬度或强度。

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Inference of Cooling Rate on Microstructure and Property of TA15 Titanium Alloy

CUI Xia1，JIA Peng-cheng1，DU Hai-ming2，OUYANG De-Lai1

(1.SchoolofMaterialScienceandEngineering,NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China;2.JiangxiNormalUniversity,Nanchang330022,China)

β heat treatment with different cooling rare of titanium alloy TA15 were conducted on a heat treatment machine with controllable cooling rate. The effect of the cooling rate on the microstructure and hardness is investigated. The results indicate that two types of transformation products of martensite and (α+β) lamellae microstructure were observed when the alloy was heated to the temperature of the beta phase transition point, and then cooled at different cooling rate. The original beta grain morphology in the transformation products is visible. The α plate of (α+β) lamellae microstructure terminates at original β grain boundaries and other α cluster, which results in multiple α cluster with the same α plate orientation in original β grain. With the increase of cooling rate, the α plate thickness decreases rapidly firstly, and then decreases slowly, while the α cluster size decreases linearly. The increasing of hardness of (α+β) lamellar microstructure with increasing the cooling rate is observed.

TA15 titanium alloy; cooling rate; microstructure; hardness

2016年4月5日

2016年6月28日

国家自然科学基金(51261020)；江西省教育厅科技项目(GJJ14505)

崔霞(1979年-)，女，博士研究生，讲师，主要从事难变形材料工艺、组织及性能等方面的研究。

TG156.1

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.04.002

1673-6214(2016)04-0208-04