TA15（Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr）鈦合金是一種高Al當量近α型鈦合金，因其具有α型鈦合金良好的熱強性和可焊接性，兼顧α+β型鈦合金優異的力學性能和高溫強度[1]，被大量用作航空器結構件、發動機葉片、機匣以及飛機機身的鈑金件等[2-4]。鈦合金板材一般需進行熱處理，熱處理后表面極易形成致密的氧化層，氧化層的存在不僅影響材料的工藝性能，而且會對后續焊接等工藝造成影響[5]。因此，鈦合金板材(cai)使用前必須去除表(biao)面氧化層，獲得(de)干凈光潔的金屬表(biao)面。

目(mu)前常用的(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)處(chu)理(li)方(fang)法(fa)有研磨(mo)(mo)(mo)拋光(guang)(guang)(guang)(guang)[6]、酸洗(xi)[7]、噴砂(sha)[8]以及激光(guang)(guang)(guang)(guang)清(qing)洗(xi)[5]等(deng)。噴砂(sha)工(gong)藝(yi)處(chu)理(li)后板(ban)材(cai)(cai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙度較高(gao)，不(bu)適用于(yu)對表(biao)(biao)面(mian)(mian)質(zhi)(zhi)量(liang)要求較高(gao)的(de)板(ban)材(cai)(cai)進行表(biao)(biao)面(mian)(mian)處(chu)理(li)。激光(guang)(guang)(guang)(guang)清(qing)洗(xi)技(ji)術(shu)目(mu)前尚處(chu)于(yu)研究試驗階段，適用于(yu)小型(xing)簡單結構(gou)工(gong)件(jian)的(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)處(chu)理(li)，尚未實現工(gong)業化推廣(guang)。因此，目(mu)前廣(guang)泛采用的(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)處(chu)理(li)工(gong)藝(yi)為研磨(mo)(mo)(mo)拋光(guang)(guang)(guang)(guang)和酸洗(xi)工(gong)藝(yi)。酸洗(xi)工(gong)藝(yi)由于(yu)生產效(xiao)率(lv)高(gao)，所獲得的(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)質(zhi)(zhi)量(liang)穩定(ding)可靠(kao)，被(bei)廣(guang)泛應用于(yu)鈦(tai)合金板(ban)材(cai)(cai)工(gong)業化生產中(zhong)，但因其引發的(de)環保問題備受爭議。研磨(mo)(mo)(mo)拋光(guang)(guang)(guang)(guang)是通過硬質(zhi)(zhi)磨(mo)(mo)(mo)料(liao)對工(gong)件(jian)的(de)持續沖擊、剪(jian)切作(zuo)用，靠(kao)切削、材(cai)(cai)料(liao)表(biao)(biao)面(mian)(mian)塑性變形去掉被(bei)拋光(guang)(guang)(guang)(guang)后的(de)凸(tu)部而得到平滑面(mian)(mian)的(de)拋光(guang)(guang)(guang)(guang)方(fang)法(fa)[6]。研磨(mo)(mo)(mo)拋光(guang)(guang)(guang)(guang)因具有操作(zuo)方(fang)便、經(jing)濟高(gao)效(xiao)、質(zhi)(zhi)量(liang)穩定(ding)等(deng)優點(dian)而備受大中(zhong)小裝備制造企業的(de)青睞。

對于鈦(tai)合金板(ban)材而(er)言，彎曲性能測(ce)試屬于工(gong)藝性能檢測(ce)，對表征材料的成形性能具有重要的意義[9]。

影響材(cai)(cai)(cai)料彎曲性能(neng)的因素(su)主要包(bao)括材(cai)(cai)(cai)料塑性[10]、表(biao)(biao)面(mian)(mian)狀態(tai)[11]等(deng)。目前，關于TA15鈦(tai)合(he)(he)金表(biao)(biao)面(mian)(mian)狀態(tai)對其彎曲性能(neng)的影響尚不(bu)明確。為此，基于不(bu)同板材(cai)(cai)(cai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)處理(li)(li)工藝(yi)研究了(le)表(biao)(biao)面(mian)(mian)狀態(tai)對退火態(tai)TA15鈦(tai)合(he)(he)金板材(cai)(cai)(cai)彎曲性能(neng)的影響，旨在優化鈦(tai)合(he)(he)金板材(cai)(cai)(cai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)處理(li)(li)工藝(yi)，為實際生(sheng)產(chan)提(ti)供參考(kao)。

1、實驗

實驗材料為寶鈦集團有限公司采用熱軋工藝生產的5mm厚TA15鈦合金板材(cai)，主(zhu)要化學成分（質量分數，w/%）為(wei)：Al6.6，V1.3，Mo1.4，Zr1.9，余量為(wei)Ti。采(cai)用(yong)常規退火工藝對(dui)TA15鈦合(he)金(jin)板(ban)(ban)材(cai)進行退火處理。圖1為(wei)TA15鈦合(he)金(jin)板(ban)(ban)材(cai)經過退火后的顯(xian)微(wei)組織，圖中(zhong)黑色相(xiang)為(wei)β轉變組織（βtrans），白色相(xiang)為(wei)初生α相(xiang)（αp），含量為(wei)75%。根據GB/T6394—2017《金(jin)屬平(ping)(ping)均晶粒度測(ce)定(ding)方法》中(zhong)的截(jie)點(dian)法測(ce)得縱剖面平(ping)(ping)均晶粒尺(chi)寸為(wei)9.4μm，橫(heng)截(jie)面平(ping)(ping)均晶粒尺(chi)寸為(wei)11.2μm，為(wei)均勻(yun)的等軸(zhou)組織。表(biao)1為(wei)退火態TA15鈦合(he)金(jin)板(ban)(ban)材(cai)的室溫拉伸(shen)性能。

為(wei)(wei)使退火后(hou)的(de)TA15鈦合(he)金板材(cai)獲(huo)得具(ju)有金屬(shu)光(guang)(guang)澤(ze)的(de)表面，分別采用研(yan)(yan)磨拋(pao)光(guang)(guang)（工藝1）、酸洗減薄(bo)（工藝2）、研(yan)(yan)磨拋(pao)光(guang)(guang)+酸洗減薄(bo)（工藝3）3種(zhong)表面處理工藝去除表面氧化層，研(yan)(yan)磨拋(pao)光(guang)(guang)方向平行于板材(cai)軋制方向（RD）。其中，研(yan)(yan)磨拋(pao)光(guang)(guang)所(suo)(suo)用砂(sha)輪(lun)為(wei)(wei)80#~320#SiC砂(sha)輪(lun)，酸洗減薄(bo)所(suo)(suo)用酸液為(wei)(wei)HNO3+HF+H2O混合(he)溶液，浸泡時間為(wei)(wei)0.5~5min，具(ju)體工藝見表2。

根據GB/T232—2010要求(qiu)，按圖2所示對不(bu)同工藝處理的板(ban)材(cai)試(shi)樣進(jin)行三點彎(wan)曲(qu)試(shi)驗，測量試(shi)樣彎(wan)曲(qu)開裂(lie)后的彎(wan)曲(qu)角度(du)（也稱(cheng)彎(wan)曲(qu)開裂(lie)角）。金相試(shi)樣用(yong) 5vol%HF+12vol%HNO3+83vol%H2O腐(fu)蝕液進(jin)行浸蝕后，采(cai)用(yong)ZEISS倒置(zhi)式金相顯微鏡進(jin)行組織觀察。

采用JSM-6480型掃描電(dian)子顯微(wei)鏡（SEM）觀察彎(wan)曲(qu)試樣(yang)的斷口形(xing)(xing)貌、表面形(xing)(xing)貌和橫截面形(xing)(xing)貌。

2、結果與分析

2.1彎曲角度

經(jing)(jing)過不(bu)同(tong)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)處理(li)(li)后TA15鈦合(he)金板(ban)材試樣的(de)彎(wan)(wan)曲(qu)角度(du)如表3所示。工(gong)(gong)(gong)藝(yi)1為對比工(gong)(gong)(gong)藝(yi)，也是(shi)目(mu)前板(ban)材廣泛采(cai)用(yong)的(de)表面處理(li)(li)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)。經(jing)(jing)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)2處理(li)(li)后，試樣的(de)彎(wan)(wan)曲(qu)角度(du)相(xiang)比工(gong)(gong)(gong)藝(yi)1提(ti)高了11°，經(jing)(jing)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)3處理(li)(li)后，試樣的(de)彎(wan)(wan)曲(qu)角度(du)提(ti)高了22°。表明酸洗減薄工(gong)(gong)(gong)藝(yi)和研磨(mo)拋(pao)光+酸洗減薄聯合(he)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)均(jun)可以有(you)效提(ti)高TA15鈦合(he)金板(ban)材的(de)彎(wan)(wan)曲(qu)角度(du)。

2.2表面粗糙度

已有研(yan)(yan)究表(biao)明，材(cai)料彎曲(qu)性(xing)能對其表(biao)面(mian)粗糙(cao)(cao)(cao)度(du)(du)十分敏感(gan)[11-13]。表(biao)4為(wei)經不同(tong)工藝處理后(hou)(hou)TA15鈦合金板(ban)(ban)(ban)材(cai)的表(biao)面(mian)粗糙(cao)(cao)(cao)度(du)(du)。從表(biao)4可以(yi)看出，研(yan)(yan)磨(mo)(mo)(mo)拋光(guang)后(hou)(hou)板(ban)(ban)(ban)材(cai)的表(biao)面(mian)粗糙(cao)(cao)(cao)度(du)(du)（Ra）最大，為(wei)1.58μm。相(xiang)比于(yu)研(yan)(yan)磨(mo)(mo)(mo)拋光(guang)，酸洗(xi)減薄(bo)后(hou)(hou)試(shi)樣(yang)的表(biao)面(mian)粗糙(cao)(cao)(cao)度(du)(du)下降了27.8%，研(yan)(yan)磨(mo)(mo)(mo)拋光(guang)+酸洗(xi)減薄(bo)后(hou)(hou)板(ban)(ban)(ban)材(cai)表(biao)面(mian)粗糙(cao)(cao)(cao)度(du)(du)Ra值為(wei)0.83μm，下降了47.5%。結合試(shi)樣(yang)彎曲(qu)性(xing)能測(ce)試(shi)結果來(lai)看，酸洗(xi)減薄(bo)和研(yan)(yan)磨(mo)(mo)(mo)拋光(guang)+酸洗(xi)減薄(bo)工藝能顯(xian)著(zhu)(zhu)提升板(ban)(ban)(ban)材(cai)的彎曲(qu)角度(du)(du)與其能顯(xian)著(zhu)(zhu)降低(di)板(ban)(ban)(ban)材(cai)的表(biao)面(mian)粗糙(cao)(cao)(cao)度(du)(du)有關(guan)。

2.3顯微組織

鈦(tai)合金(jin)材料(liao)(liao)在(zai)(zai)熱加工過程中(zhong)，其表(biao)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)可能會形成脆性α層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)，特征為試樣(yang)邊部顯微(wei)組織中(zhong)存在(zai)(zai)白色(se)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)或者具有高密度的(de)光(guang)亮(liang)α層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)[14-16]。脆性α層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)會在(zai)(zai)板(ban)材彎曲(qu)過程中(zhong)形成裂(lie)紋源，在(zai)(zai)外側拉應力作(zuo)用下裂(lie)紋擴展并失穩最終(zhong)導致材料(liao)(liao)開(kai)裂(lie)失效。圖3為彎曲(qu)試樣(yang)近斷口區內(nei)、外層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)金(jin)相照片。從圖3可以(yi)看(kan)出，試樣(yang)表(biao)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)不存在(zai)(zai)脆性α層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)，可排除(chu)由此引(yin)發的(de)試樣(yang)彎曲(qu)開(kai)裂(lie)的(de)可能性。

2.4表面形貌

圖(tu)4為經(jing)不同(tong)工藝處(chu)理后(hou)TA15鈦合金板(ban)材表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)SEM形貌，圖(tu)5為經(jing)不同(tong)工藝處(chu)理后(hou)TA15鈦合金板(ban)材橫截(jie)面(mian)(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)SEM形貌。從圖(tu)4a和(he)圖(tu)5a可以(yi)(yi)看出，經(jing)工藝1處(chu)理后(hou)板(ban)材表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)呈現(xian)出規則的(de)(de)(de)沿(yan)著研磨方向的(de)(de)(de)磨削(xue)紋(wen)(wen)路(lu)，橫截(jie)面(mian)(mian)(mian)(mian)出現(xian)鋸(ju)齒狀(zhuang)紋(wen)(wen)路(lu)（如紅色虛線框內(nei)所示），同(tong)時(shi)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)殘留有磨料(liao)顆粒以(yi)(yi)及切削(xue)留下的(de)(de)(de)痕跡。從圖(tu)4b、4c表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)形貌以(yi)(yi)及圖(tu)5b、5c橫截(jie)面(mian)(mian)(mian)(mian)形貌可以(yi)(yi)看出，經(jing)化學腐蝕后(hou)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)明顯變得平坦，溝槽和(he)劃(hua)痕等磨削(xue)痕跡以(yi)(yi)及鋸(ju)齒狀(zhuang)磨削(xue)紋(wen)(wen)理明顯淡化。經(jing)工藝3處(chu)理后(hou)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)最為平整均勻。

從上述(shu)表(biao)面(mian)形貌特征可(ke)(ke)以(yi)(yi)看出，采用(yong)工藝1處(chu)(chu)理(li)后，板材表(biao)面(mian)存在(zai)大量鋸齒(chi)狀(zhuang)磨(mo)(mo)削(xue)痕跡，這是影(ying)響表(biao)面(mian)粗糙度(du)的(de)根本原(yuan)因(yin)，也造成(cheng)了板材彎(wan)曲過程中產(chan)生局部(bu)應(ying)(ying)力集中。當受(shou)到(dao)載荷(he)作(zuo)用(yong)時，表(biao)面(mian)裂(lie)紋優先在(zai)這些(xie)鋸齒(chi)狀(zhuang)溝(gou)(gou)槽以(yi)(yi)及磨(mo)(mo)料(liao)殘(can)(can)(can)留物處(chu)(chu)產(chan)生，形成(cheng)裂(lie)紋源或(huo)發展(zhan)為裂(lie)紋擴(kuo)展(zhan)的(de)通道，加速裂(lie)紋擴(kuo)展(zhan)，造成(cheng)構件失效斷裂(lie)[13]。通過酸洗(xi)減薄可(ke)(ke)以(yi)(yi)對(dui)表(biao)面(mian)鋸齒(chi)狀(zhuang)溝(gou)(gou)槽尖(jian)端(duan)進行腐蝕消耗(hao)，使(shi)尖(jian)銳的(de)棱角(jiao)(jiao)鈍化變得平坦，而且對(dui)磨(mo)(mo)料(liao)殘(can)(can)(can)留物具(ju)有明顯(xian)的(de)剝(bo)離作(zuo)用(yong)。采用(yong)研(yan)磨(mo)(mo)拋光(guang)+酸洗(xi)減薄工藝進行表(biao)面(mian)處(chu)(chu)理(li)時，機械(xie)磨(mo)(mo)削(xue)可(ke)(ke)對(dui)表(biao)面(mian)進行平整化處(chu)(chu)理(li)，通過化學(xue)反應(ying)(ying)進行鈍化，可(ke)(ke)在(zai)一定程度(du)釋(shi)放表(biao)面(mian)局部(bu)殘(can)(can)(can)余(yu)應(ying)(ying)力，降低板材在(zai)受(shou)到(dao)載荷(he)作(zuo)用(yong)時因(yin)鋸齒(chi)狀(zhuang)磨(mo)(mo)削(xue)溝(gou)(gou)槽尖(jian)端(duan)產(chan)生局部(bu)應(ying)(ying)力集中的(de)現象，有利于延(yan)緩(huan)板材的(de)彎(wan)曲開裂(lie)，增(zeng)大彎(wan)曲角(jiao)(jiao)度(du)。

2.5彎曲斷口形貌

圖6為(wei)經研磨拋光處理后TA15鈦合金彎曲(qu)開裂(lie)試樣的(de)斷(duan)口(kou)形(xing)貌。從圖6a可(ke)以看(kan)出(chu)，整(zheng)個彎曲(qu)斷(duan)口(kou)相對平整(zheng)，裂(lie)紋起源于(yu)試樣表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)。從圖6b、6c可(ke)以看(kan)出(chu)，斷(duan)口(kou)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)存在(zai)(zai)大(da)量(liang)撕(si)裂(lie)的(de)韌(ren)窩(wo)，以及具有(you)方向(xiang)性(xing)的(de)平行撕(si)裂(lie)棱。該現象(xiang)的(de)產生(sheng)與板材彎曲(qu)過程中(zhong)表(biao)(biao)(biao)(biao)層(ceng)的(de)受力狀態有(you)關。板材彎芯(xin)外側承(cheng)受較大(da)拉應(ying)力，彎折(zhe)過程中(zhong)塑性(xing)形(xing)變最(zui)為(wei)劇(ju)烈，形(xing)變硬化效(xiao)應(ying)最(zui)為(wei)明顯，在(zai)(zai)載(zai)荷(he)作用下形(xing)成(cheng)具有(you)方向(xiang)性(xing)的(de)撕(si)裂(lie)棱。從圖6d、6e可(ke)以看(kan)出(chu)，斷(duan)口(kou)中(zhong)心層(ceng)有(you)大(da)量(liang)小(xiao)而深(shen)的(de)韌(ren)窩(wo)，表(biao)(biao)(biao)(biao)明試樣的(de)斷(duan)裂(lie)類(lei)型為(wei)韌(ren)性(xing)撕(si)裂(lie)。

綜上所(suo)述(shu)，彎曲開裂(lie)的(de)原因主要與板材表面(mian)(mian)(mian)(mian)形貌(mao)有關，研磨拋光工藝處理后的(de)板材表面(mian)(mian)(mian)(mian)存在微(wei)小的(de)磨削(xue)溝(gou)槽，在彎曲過程中外表面(mian)(mian)(mian)(mian)受拉應(ying)力，而這(zhe)些表面(mian)(mian)(mian)(mian)存在的(de)小溝(gou)槽負載時產(chan)生局(ju)部(bu)應(ying)力集中，形成預制微(wei)裂(lie)紋(wen)(wen)，這(zhe)些微(wei)裂(lie)紋(wen)(wen)在載荷(he)作用下不斷擴(kuo)展(zhan)，造成裂(lie)紋(wen)(wen)失穩擴(kuo)展(zhan)，最終導(dao)致表面(mian)(mian)(mian)(mian)開裂(lie)。

3、結論

(1)退(tui)火態TA15鈦合金板(ban)材經研(yan)磨拋(pao)(pao)光處理后，表面(mian)呈現出(chu)規則的沿著研(yan)磨方向(xiang)的磨削紋路(lu)，橫截(jie)面(mian)呈現鋸(ju)齒狀(zhuang)紋路(lu)，同時表面(mian)殘留有(you)磨料顆粒以(yi)及切削留下的痕跡。經研(yan)磨拋(pao)(pao)光+酸(suan)洗減(jian)薄工藝處理后的表面(mian)最為平整，表面(mian)粗糙度為0.83μm。

(2)TA15鈦(tai)合(he)金(jin)板材經(jing)研磨(mo)(mo)拋光+酸洗減薄(bo)工藝(yi)處理后的彎曲角度最大，酸洗減薄(bo)工藝(yi)次之，研磨(mo)(mo)拋光工藝(yi)最小。

(3)研磨(mo)拋光彎曲開裂試(shi)樣的斷口(kou)相(xiang)對平整，裂紋起源(yuan)于試(shi)樣表面(mian)。由于TA15鈦合金板材同(tong)時受拉應(ying)力(li)和(he)壓(ya)應(ying)力(li)作用，韌(ren)窩(wo)形態呈現(xian)多而深、具有方向性的特征，為典(dian)型的韌(ren)性撕裂斷口(kou)。

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