氧含量对ZTA15钛合金显微组织和性能的影响*

贾志伟，冯芝华，纪志军，南 海，张纪春，邵 杰

(1.北京航空材料研究院有限公司，北京 100095；2.中国航发北京航空材料研究院，北京 100095；3.北京市先进钛合金精密成型工程技术研究中心，北京 100095；4.中国航空制造技术研究院，北京 100024)

ZTA15钛合金仿制于俄罗斯BT20钛合金，其名义成分为Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V，属于高Al当量近α型钛合金，具有良好的铸造工艺性能、焊接性能和综合力学性能。ZTA15钛合金的室温力学性能与ZTC4合金相当，在350～500 ℃时，合金强度明显高于ZTC4钛合金。随着铸造技术水平的提高、热等静压(HIP)和特种热处理工艺的应用，ZTA15钛合金铸件的质量和性能已接近其变形件的水平，已经广泛应用于飞机、导弹、运载火箭和卫星等室温、高温承力构件[1]。目前应用范围最广、应用量最大的钛合金是ZTC4钛合金，在我国研制和生产的钛合金铸件中，ZTC4和ZTA15钛合金用量占80%[2]。

目前，对于铸造钛合金的研究多集中在ZTC4钛合金，通常通过调整热处理制度[3-5](如热等静压、退火、固溶时效等工艺)、调整杂质元素含量[6-10](如N、O、H、Fe等)、添加稀土元素[11](如Ce、Y等)或者其他元素[12-13](如Cr、B)等手段来改善合金的显微组织，从而满足或者提高钛合金某些特殊的性能要求，而对ZTA15钛合金在调控成分对组织与性能影响方面的研究并不多。氧元素在ZTA15钛合金中的研究报道更是少见。本文研究在ZTA15钛合金中通过微调氧含量，重点研究氧含量对ZTA15钛合金显微组织与力学性能的影响，希望为该类合金的性能调控提供一定的参考依据。

1 试验材料及方法

选用I级海绵钛，按照表1的名义化学成分进行配比，其中保持Al、V、Zr、Mo主元素含量不变，Fe、Si、C、N、H杂质元素由海绵钛自身生成，O含量分别为0.10%和0.12%，经混料、压制电极、真空自耗熔炼，制得2种不同成分的φ120 mm一次铸锭。采用10 kg真空自耗凝壳炉和相同的浇注工艺参数，将铸锭熔炼浇注进熔模精铸型壳中，采用静止浇注成形试棒，试棒规格为φ15 mm圆棒。试棒经热等静压处理，工艺参数为：保压温度(920±20) ℃，氩气压力110～140 MPa，保温时间2.0～2.5 h，随炉冷却至300 ℃以下后出炉空冷。试棒化学成分检测结果见表2。

表1 2种ZTA15钛合金的名义化学成分(质量分数) (%)

表2 2种ZAT15钛合金的化学成分(质量分数) (%)

试棒加工成标准试样后，按照GB/T 228.1—2010、GB/T 4338—2006和GB/T 229—2007标准分别进行室温、200 ℃、350 ℃、400 ℃、500 ℃力学性能拉伸和冲击测试。试样进行切割、打磨、抛光、腐蚀后，在光学显微镜下观察铸态组织和热等静压态组织(HIP组织)。

2 结果与分析

2.1 氧含量对ZTA15钛合金铸态组织和HIP组织的影响

ZTA15-0.10O和ZTA15-0.12O两种ZTA15钛合金的铸态-晶界组织为典型的魏氏组织(分别见图1a和图1c)，在原始β晶界上分布着连续的α相(晶界)，晶内为魏氏组织(α+β)，这些厚片状α相及其相间的β相薄层形成一个个集束，在同一集束内，α片彼此平行，具有同一取向。由于魏氏组织中α相和β之间保持严格的晶体学位相关系，从而其组织具有顽强的“遗传性”[14]。ZTA15-0.10O和ZTA15-0.12O两种合金的铸态-晶内组织(分别见图1b和图1d)。随着氧含量的增加，α集束的长度变短，α集束的宽度变窄。这是因为ZTA15钛合金属于近α型钛合金，氧元素作为α稳定元素，能够扩大钛合金中α相区，增大α相稳定性，提高α+β/β转变温度。随着氧含量的增加，合金相变点(α+β/β转变温度)升高，α相增多。

a) ZTA15-0.10O晶界组织

c) ZTA15-0.12O晶界组织

经热等静压处理后，ZTA15-0.10O和ZTA15-0.12O两种ZTA15钛合金的HIP组织如图2所示。由于HIP温度(920±20) ℃低于β相变转变温度(1 000±20) ℃，因此，HIP组织主要“遗传”于铸态组织，但与铸态组织有所不同。

经热等静压处理后的ZTA15钛合金消除了不均匀组织，在高温处理下晶界α相弱化并保留，α集束的长度比铸态的变短且集束宽度变窄。ZTA15-0.12O合金晶内组织中的α集束长度比ZTA-0.10O合金的更短，且α集束的宽度变窄。

2.2 氧含量对ZTA15钛合金力学性能的影响

2种ZTA15钛合金经热等静压处理后，室温和高温500 ℃力学性能见表3。

a) ZTA15-0.10O晶界组织

c) ZTA15-0.12O晶界组织

表3 ZAT15钛合金室温和高温500 ℃力学性能

从表3可以看出：随着氧含量的增加，ZTA15钛合金的室温抗拉强度和屈服强度明显升高，合金的伸长率和断面收缩率明显下降。ZTA15钛合金中氧含量从0.10%增加到0.12%后，合金的室温抗拉强度平均提高了27 MPa，屈服强度平均提高了25 MPa，室温伸长率平均降低了3%，断面收缩率平均降低了12%。同样的研究表明[15]，氧含量在0.05%～0.15%之间时，BT20钛合金的抗拉强度增幅较大，每提高0.05%就使其强度提高约40 MPa。张捷频将氧含量从0.09%增加到0.12%～0.13%后，TA15钛合金室温拉伸强度提高了约40 MPa。刘志成等[16]将氧含量从0.13%提高至0.165%后，TC4钛合金室温抗拉强度平均提高了约45 MPa，屈服强度平均提高了约60 MPa。这是因为，氧在钛合金中的溶解度较高，形成间隙固溶体，使金属晶体产生晶格畸变，对在滑移面上运动着的位错有阻碍作用，从而使合金强度提高了，塑性降低了。

除此之外，随着氧含量的增加，ZTA15钛合金的室温冲击韧性明显降低。ZTA15钛合金中氧含量增加0.02%后，室温冲击韧性平均降低了19 J/cm2。金属材料的冲击韧性一般情况下与材料本身的塑性成正比对应关系，合金中间间隙元素含量增加，高价能下降，材料的韧脆转变温度升高。间隙元素(氧原子)溶入合金基体后，因与位错有交互作用而偏聚于位错线附近形成柯氏气团，致使合金的脆性增加，塑性降低[17]。沈睿用XRD对Ti-35Nb-3.7Zr-1.3Mo合金固溶组织进行分析并计算合金晶格常数，发现随氧含量的增加，固溶态合金的晶格常数明显增大，证明了间隙氧原子的不断融入加剧了晶格畸变，使钛合金强度随氧含量的增大而急剧增加。

随着氧含量的增加，ZTA15钛合金500 ℃高温抗拉强度提高了约40 MPa，伸长率下降了约4%，断面收缩率下降了约20%，冲击韧性下降比例高约50%。ZTA15钛合金中氧含量的增加导致高温强度上升、塑性下降的现象，同样是因为氧原子增加了金属晶体晶格畸变程度，内部增加的应变应力和位错运动的阻力，提高了合金宏观高温屈服强度和断裂强度，而在高温下间隙元素氧含量增多，导致高温塑性和冲击韧性下降幅度大。

2.3 2种ZTA15钛合金在不同温度段的性能表现

2种ZTA15钛合金经热等静压处理后在室温、200 ℃、350 ℃、400 ℃、500 ℃等5个不同温度段的拉伸性能和冲击韧性如图3所示。图3中力学性能数据均为3个数据的平均值。

a) 抗拉强度

b) 屈服强度

c) 伸长率

d) 断面收缩率

e) 冲击韧性

2种ZTA15钛合金的拉伸强度随着温度的提高而下降，而塑性和冲击韧性在不同温度下的表现各不相同。当合金温度由室温提高至200 ℃时，2种钛合金的伸长率和断面收缩率开始升高；当温度升高至350 ℃时，伸长率均表现为下降趋势；当温度达到500 ℃时，伸长率和断面收缩率急剧下降，与室温相当。ZTA15-0.10O钛合金的冲击韧性随着温度的提高而变大，高温500 ℃冲击值接近室温状态下的2倍；而ZTA15-0.12O钛合金的冲击韧性变化不大，高温冲击值略微高于室温。针对2种钛合金在高温350 ℃时塑性下降的现象，主要原因为350 ℃高温下间隙元素氧含量开始增多，固溶强化起主要作用。综合对比2种ZTA15钛合金的室温和高温性能，ZTA15-0.10O合金在保持室温和高温较高强度的同时，仍具有较好的塑性和冲击韧性表现。

3 结语

通过上述研究可以得出如下结论。

1)ZTA15钛合金铸态和热等静压态组织表现为典型的魏氏组织，随着氧含量的提高，合金中α集束的长度变短且宽度变窄，合金组织得到明显细化。

2)随着氧含量的提高，ZTA15钛合金的抗拉强度升高而塑性及冲击韧性变差。当合金中氧含量由0.10%上升至0.12%时，室温抗拉强度提高约27 MPa，伸长率降低约3%，冲击韧性降低约19 J/cm2；高温500 ℃抗拉强度提高约40 MPa，伸长率降低约4.5%，而冲击韧性由约90 J/cm2下降至43 J/cm2。

3)在保持ZTA15钛合金主元素和其他杂质元素含量不变的前提下，选用0.10%的氧含量，可获得良好的室温和高温综合力学性能。