TA15（Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr）鈦(tai)合金(jin)(jin)是一種高Al當量(liang)近α型鈦(tai)合金(jin)(jin)，因其具有α型鈦(tai)合金(jin)(jin)良好(hao)的(de)熱強性(xing)和可焊(han)接(jie)性(xing)，兼顧α+β型鈦(tai)合金(jin)(jin)優異的(de)力學性(xing)能和高溫強度[1]，被(bei)大量(liang)用作航空器結構件、發動機葉片(pian)、機匣以及飛機機身的(de)鈑金(jin)(jin)件等[2-4]。鈦(tai)合金(jin)(jin)板材(cai)一般需(xu)進行熱處(chu)理(li)，熱處(chu)理(li)后表面(mian)極易(yi)形(xing)成致密的(de)氧化(hua)層，氧化(hua)層的(de)存在不僅影響材(cai)料的(de)工藝性(xing)能，而(er)且會對后續焊(han)接(jie)等工藝造成影響[5]。因此，鈦(tai)合金(jin)(jin)板材(cai)使用前必須去除表面(mian)氧化(hua)層，獲(huo)得干凈光潔(jie)的(de)金(jin)(jin)屬表面(mian)。

目(mu)前(qian)常用(yong)的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)處(chu)(chu)理(li)(li)方(fang)(fang)法有研磨(mo)拋(pao)光(guang)[6]、酸(suan)洗[7]、噴砂[8]以及激光(guang)清洗[5]等。噴砂工(gong)藝處(chu)(chu)理(li)(li)后(hou)板(ban)材(cai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙度較高(gao)，不適用(yong)于對表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)質(zhi)量要求較高(gao)的(de)(de)板(ban)材(cai)進行(xing)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)處(chu)(chu)理(li)(li)。激光(guang)清洗技術目(mu)前(qian)尚處(chu)(chu)于研究試(shi)驗階段，適用(yong)于小型簡單結構工(gong)件的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)處(chu)(chu)理(li)(li)，尚未實現工(gong)業(ye)化(hua)推廣。因(yin)此，目(mu)前(qian)廣泛采用(yong)的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)處(chu)(chu)理(li)(li)工(gong)藝為(wei)研磨(mo)拋(pao)光(guang)和酸(suan)洗工(gong)藝。酸(suan)洗工(gong)藝由于生產效(xiao)率(lv)高(gao)，所獲得(de)的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)質(zhi)量穩(wen)定可靠(kao)，被(bei)廣泛應(ying)用(yong)于鈦合金(jin)板(ban)材(cai)工(gong)業(ye)化(hua)生產中，但因(yin)其引發的(de)(de)環保問題備受爭議。研磨(mo)拋(pao)光(guang)是(shi)通過硬(ying)質(zhi)磨(mo)料對工(gong)件的(de)(de)持續沖擊、剪(jian)切(qie)作用(yong)，靠(kao)切(qie)削、材(cai)料表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)塑性變(bian)形去掉(diao)被(bei)拋(pao)光(guang)后(hou)的(de)(de)凸部而得(de)到平滑面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)拋(pao)光(guang)方(fang)(fang)法[6]。研磨(mo)拋(pao)光(guang)因(yin)具有操作方(fang)(fang)便、經(jing)濟(ji)高(gao)效(xiao)、質(zhi)量穩(wen)定等優點而備受大中小裝備制(zhi)造企業(ye)的(de)(de)青睞(lai)。

對于鈦合金板材(cai)而言，彎曲性能測試屬于工藝性能檢測，對表(biao)征(zheng)材(cai)料的成形性能具有重要的意義(yi)[9]。

影響(xiang)材(cai)料彎曲(qu)性(xing)能(neng)的因素(su)主要包括材(cai)料塑性(xing)[10]、表(biao)(biao)(biao)面狀(zhuang)(zhuang)態[11]等(deng)。目前，關于TA15鈦合(he)金(jin)表(biao)(biao)(biao)面狀(zhuang)(zhuang)態對其彎曲(qu)性(xing)能(neng)的影響(xiang)尚不(bu)明確。為此，基于不(bu)同板材(cai)表(biao)(biao)(biao)面處(chu)理工藝(yi)研(yan)究(jiu)了表(biao)(biao)(biao)面狀(zhuang)(zhuang)態對退火態TA15鈦合(he)金(jin)板材(cai)彎曲(qu)性(xing)能(neng)的影響(xiang)，旨在(zai)優化(hua)鈦合(he)金(jin)板材(cai)表(biao)(biao)(biao)面處(chu)理工藝(yi)，為實(shi)際生產(chan)提(ti)供參(can)考。

1、實驗

實驗材料(liao)為(wei)寶鈦(tai)集團有限(xian)公司采用熱軋(ya)工藝生產的(de)(de)5mm厚TA15鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)板材，主(zhu)要化學成分(fen)（質量分(fen)數(shu)，w/%）為(wei)：Al6.6，V1.3，Mo1.4，Zr1.9，余(yu)量為(wei)Ti。采用常規退火工藝對TA15鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)板材進行退火處理。圖1為(wei)TA15鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)板材經過(guo)退火后的(de)(de)顯(xian)微組(zu)織，圖中(zhong)黑色(se)(se)相(xiang)為(wei)β轉變組(zu)織（βtrans），白(bai)色(se)(se)相(xiang)為(wei)初生α相(xiang)（αp），含量為(wei)75%。根據GB/T6394—2017《金(jin)(jin)屬平(ping)(ping)均晶(jing)(jing)粒度測(ce)定(ding)方法》中(zhong)的(de)(de)截點(dian)法測(ce)得(de)縱剖面平(ping)(ping)均晶(jing)(jing)粒尺寸為(wei)9.4μm，橫截面平(ping)(ping)均晶(jing)(jing)粒尺寸為(wei)11.2μm，為(wei)均勻的(de)(de)等軸(zhou)組(zu)織。表1為(wei)退火態TA15鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)板材的(de)(de)室溫(wen)拉(la)伸性能。

為(wei)使(shi)退(tui)火(huo)后(hou)的TA15鈦(tai)合金板材(cai)獲(huo)得具有金屬光澤的表(biao)面，分別采(cai)用(yong)研磨拋(pao)光（工(gong)藝1）、酸洗減薄（工(gong)藝2）、研磨拋(pao)光+酸洗減薄（工(gong)藝3）3種表(biao)面處理工(gong)藝去除表(biao)面氧化層(ceng)，研磨拋(pao)光方(fang)向平行于板材(cai)軋(ya)制方(fang)向（RD）。其中，研磨拋(pao)光所(suo)用(yong)砂輪(lun)為(wei)80#~320#SiC砂輪(lun)，酸洗減薄所(suo)用(yong)酸液為(wei)HNO3+HF+H2O混合溶液，浸泡(pao)時間(jian)為(wei)0.5~5min，具體工(gong)藝見表(biao)2。

根據(ju)GB/T232—2010要(yao)求(qiu)，按圖2所示對不同工(gong)藝處理的板材試(shi)(shi)樣進(jin)行(xing)(xing)三點彎(wan)(wan)(wan)(wan)曲(qu)試(shi)(shi)驗，測(ce)量試(shi)(shi)樣彎(wan)(wan)(wan)(wan)曲(qu)開裂(lie)后的彎(wan)(wan)(wan)(wan)曲(qu)角(jiao)度（也(ye)稱(cheng)彎(wan)(wan)(wan)(wan)曲(qu)開裂(lie)角(jiao)）。金相試(shi)(shi)樣用(yong)5vol%HF+12vol%HNO3+83vol%H2O腐蝕(shi)液(ye)進(jin)行(xing)(xing)浸蝕(shi)后，采(cai)用(yong)ZEISS倒置式(shi)金相顯微鏡進(jin)行(xing)(xing)組織觀察。采(cai)用(yong)JSM-6480型掃描電(dian)子顯微鏡（SEM）觀察彎(wan)(wan)(wan)(wan)曲(qu)試(shi)(shi)樣的斷口形(xing)貌、表面(mian)形(xing)貌和橫截(jie)面(mian)形(xing)貌。

2、結果與分析

2.1彎曲角度

經(jing)過不同工(gong)藝(yi)(yi)(yi)處理(li)(li)后(hou)TA15鈦合金板(ban)材(cai)試(shi)樣的彎(wan)曲角(jiao)度如表(biao)3所示。工(gong)藝(yi)(yi)(yi)1為對(dui)比(bi)工(gong)藝(yi)(yi)(yi)，也是目前板(ban)材(cai)廣(guang)泛采用的表(biao)面(mian)處理(li)(li)工(gong)藝(yi)(yi)(yi)。經(jing)工(gong)藝(yi)(yi)(yi)2處理(li)(li)后(hou)，試(shi)樣的彎(wan)曲角(jiao)度相比(bi)工(gong)藝(yi)(yi)(yi)1提高了11°，經(jing)工(gong)藝(yi)(yi)(yi)3處理(li)(li)后(hou)，試(shi)樣的彎(wan)曲角(jiao)度提高了22°。表(biao)明酸(suan)洗減(jian)薄(bo)(bo)工(gong)藝(yi)(yi)(yi)和研磨(mo)拋光(guang)+酸(suan)洗減(jian)薄(bo)(bo)聯合工(gong)藝(yi)(yi)(yi)均可以有效(xiao)提高TA15鈦合金板(ban)材(cai)的彎(wan)曲角(jiao)度。

2.2表面粗糙度

已有(you)研(yan)究表(biao)明，材料(liao)彎曲性(xing)能(neng)(neng)(neng)對其表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)(cao)度十分敏感(gan)[11-13]。表(biao)4為(wei)經不同工(gong)藝處理后(hou)(hou)TA15鈦合金板(ban)(ban)材的(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)(cao)度。從(cong)表(biao)4可(ke)以看出，研(yan)磨拋(pao)光后(hou)(hou)板(ban)(ban)材的(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)(cao)度（Ra）最大，為(wei)1.58μm。相比(bi)于研(yan)磨拋(pao)光，酸洗(xi)減薄(bo)后(hou)(hou)試(shi)樣(yang)的(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)(cao)度下降(jiang)了(le)27.8%，研(yan)磨拋(pao)光+酸洗(xi)減薄(bo)后(hou)(hou)板(ban)(ban)材表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)(cao)度Ra值為(wei)0.83μm，下降(jiang)了(le)47.5%。結(jie)合試(shi)樣(yang)彎曲性(xing)能(neng)(neng)(neng)測試(shi)結(jie)果(guo)來看，酸洗(xi)減薄(bo)和研(yan)磨拋(pao)光+酸洗(xi)減薄(bo)工(gong)藝能(neng)(neng)(neng)顯(xian)著提升(sheng)板(ban)(ban)材的(de)(de)彎曲角(jiao)度與其能(neng)(neng)(neng)顯(xian)著降(jiang)低板(ban)(ban)材的(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)(cao)度有(you)關。

2.3顯微組織

鈦合金(jin)材(cai)料在(zai)熱加工過程(cheng)中(zhong)，其表層(ceng)(ceng)(ceng)可(ke)(ke)能會形成(cheng)脆性(xing)α層(ceng)(ceng)(ceng)，特征為試(shi)樣(yang)邊部顯微(wei)組織中(zhong)存在(zai)白(bai)色層(ceng)(ceng)(ceng)或者具有高密(mi)度的(de)光亮α層(ceng)(ceng)(ceng)[14-16]。脆性(xing)α層(ceng)(ceng)(ceng)會在(zai)板材(cai)彎曲(qu)過程(cheng)中(zhong)形成(cheng)裂紋(wen)源，在(zai)外側拉(la)應(ying)力(li)作用(yong)下裂紋(wen)擴展并失(shi)穩最終導致材(cai)料開裂失(shi)效。圖3為彎曲(qu)試(shi)樣(yang)近斷(duan)口(kou)區內、外層(ceng)(ceng)(ceng)金(jin)相照片。從圖3可(ke)(ke)以看(kan)出，試(shi)樣(yang)表層(ceng)(ceng)(ceng)不存在(zai)脆性(xing)α層(ceng)(ceng)(ceng)，可(ke)(ke)排(pai)除由此引發的(de)試(shi)樣(yang)彎曲(qu)開裂的(de)可(ke)(ke)能性(xing)。

2.4表面形貌

圖4為經不同工藝處理后TA15鈦合金板材(cai)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)SEM形(xing)(xing)貌(mao)，圖(tu)(tu)5為經不同工藝處(chu)理后(hou)(hou)TA15鈦合(he)金板材(cai)橫(heng)截面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)SEM形(xing)(xing)貌(mao)。從(cong)圖(tu)(tu)4a和(he)圖(tu)(tu)5a可(ke)以看出，經工藝1處(chu)理后(hou)(hou)板材(cai)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)呈現出規則的(de)(de)沿著(zhu)研磨方向(xiang)的(de)(de)磨削(xue)紋(wen)路，橫(heng)截面(mian)(mian)(mian)出現鋸齒(chi)狀紋(wen)路（如紅色虛(xu)線框(kuang)內所示），同時表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)殘留(liu)有磨料顆粒以及切削(xue)留(liu)下的(de)(de)痕跡。從(cong)圖(tu)(tu)4b、4c表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)形(xing)(xing)貌(mao)以及圖(tu)(tu)5b、5c橫(heng)截面(mian)(mian)(mian)形(xing)(xing)貌(mao)可(ke)以看出，經化學腐蝕后(hou)(hou)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)明顯變得平坦，溝(gou)槽和(he)劃痕等磨削(xue)痕跡以及鋸齒(chi)狀磨削(xue)紋(wen)理明顯淡化。經工藝3處(chu)理后(hou)(hou)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)最為平整均(jun)勻。

從上述表(biao)(biao)面(mian)(mian)形(xing)貌(mao)特征可(ke)以(yi)(yi)看出，采(cai)用工藝1處理(li)后，板(ban)材表(biao)(biao)面(mian)(mian)存在大量鋸(ju)齒狀(zhuang)磨削痕跡，這(zhe)是影響表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度的(de)根本原因，也(ye)造成(cheng)了板(ban)材彎(wan)曲過(guo)程中(zhong)產生(sheng)局(ju)(ju)部(bu)應(ying)(ying)力集(ji)中(zhong)。當受(shou)到載荷作(zuo)用時(shi)，表(biao)(biao)面(mian)(mian)裂紋(wen)優(you)先在這(zhe)些鋸(ju)齒狀(zhuang)溝(gou)槽(cao)以(yi)(yi)及磨料殘(can)留(liu)物處產生(sheng)，形(xing)成(cheng)裂紋(wen)源(yuan)或發(fa)展(zhan)為裂紋(wen)擴(kuo)展(zhan)的(de)通(tong)(tong)道，加(jia)速(su)裂紋(wen)擴(kuo)展(zhan)，造成(cheng)構件失效斷裂[13]。通(tong)(tong)過(guo)酸(suan)洗減薄可(ke)以(yi)(yi)對表(biao)(biao)面(mian)(mian)鋸(ju)齒狀(zhuang)溝(gou)槽(cao)尖端進行(xing)腐蝕消耗(hao)，使(shi)尖銳的(de)棱角鈍(dun)化(hua)變得平坦(tan)，而且對磨料殘(can)留(liu)物具(ju)有明(ming)顯的(de)剝離(li)作(zuo)用。采(cai)用研磨拋光+酸(suan)洗減薄工藝進行(xing)表(biao)(biao)面(mian)(mian)處理(li)時(shi)，機械磨削可(ke)對表(biao)(biao)面(mian)(mian)進行(xing)平整化(hua)處理(li)，通(tong)(tong)過(guo)化(hua)學反(fan)應(ying)(ying)進行(xing)鈍(dun)化(hua)，可(ke)在一定程度釋放表(biao)(biao)面(mian)(mian)局(ju)(ju)部(bu)殘(can)余應(ying)(ying)力，降(jiang)低(di)板(ban)材在受(shou)到載荷作(zuo)用時(shi)因鋸(ju)齒狀(zhuang)磨削溝(gou)槽(cao)尖端產生(sheng)局(ju)(ju)部(bu)應(ying)(ying)力集(ji)中(zhong)的(de)現象(xiang)，有利于(yu)延緩板(ban)材的(de)彎(wan)曲開裂，增(zeng)大彎(wan)曲角度。

2.5彎曲斷口形貌

圖(tu)(tu)6為(wei)經(jing)研磨拋光處理后TA15鈦(tai)合金彎(wan)曲開(kai)裂(lie)(lie)(lie)(lie)試(shi)(shi)樣的(de)(de)(de)(de)(de)斷口(kou)形貌。從(cong)(cong)圖(tu)(tu)6a可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，整(zheng)個彎(wan)曲斷口(kou)相(xiang)對平(ping)整(zheng)，裂(lie)(lie)(lie)(lie)紋起源于(yu)試(shi)(shi)樣表面。從(cong)(cong)圖(tu)(tu)6b、6c可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，斷口(kou)表面存在大(da)量(liang)撕(si)(si)裂(lie)(lie)(lie)(lie)的(de)(de)(de)(de)(de)韌(ren)(ren)窩，以(yi)及(ji)具有(you)(you)方向(xiang)(xiang)性的(de)(de)(de)(de)(de)平(ping)行(xing)撕(si)(si)裂(lie)(lie)(lie)(lie)棱。該現(xian)象的(de)(de)(de)(de)(de)產(chan)生與板材(cai)彎(wan)曲過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)表層的(de)(de)(de)(de)(de)受力狀(zhuang)態有(you)(you)關。板材(cai)彎(wan)芯外側承受較大(da)拉(la)應(ying)(ying)力，彎(wan)折過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)塑性形變最(zui)(zui)為(wei)劇烈，形變硬(ying)化(hua)效應(ying)(ying)最(zui)(zui)為(wei)明顯(xian)，在載荷作用下形成具有(you)(you)方向(xiang)(xiang)性的(de)(de)(de)(de)(de)撕(si)(si)裂(lie)(lie)(lie)(lie)棱。從(cong)(cong)圖(tu)(tu)6d、6e可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，斷口(kou)中(zhong)(zhong)心層有(you)(you)大(da)量(liang)小而深的(de)(de)(de)(de)(de)韌(ren)(ren)窩，表明試(shi)(shi)樣的(de)(de)(de)(de)(de)斷裂(lie)(lie)(lie)(lie)類型為(wei)韌(ren)(ren)性撕(si)(si)裂(lie)(lie)(lie)(lie)。

綜上所述，彎曲開(kai)(kai)裂(lie)的原(yuan)因主要(yao)與板(ban)材表(biao)面(mian)形(xing)(xing)貌有關，研(yan)磨(mo)拋光工藝處(chu)理后(hou)的板(ban)材表(biao)面(mian)存在微小的磨(mo)削溝槽，在彎曲過(guo)程中(zhong)外(wai)表(biao)面(mian)受拉應力，而這些表(biao)面(mian)存在的小溝槽負載時產生(sheng)局部應力集中(zhong)，形(xing)(xing)成(cheng)預制(zhi)微裂(lie)紋，這些微裂(lie)紋在載荷作用下不斷(duan)擴(kuo)展，造成(cheng)裂(lie)紋失穩擴(kuo)展，最終導致表(biao)面(mian)開(kai)(kai)裂(lie)。

3、結論

(1)退火態TA15鈦合金板材經研磨拋(pao)光處(chu)理(li)(li)后(hou)，表(biao)面呈現(xian)出規則的(de)(de)沿著(zhu)研磨方向的(de)(de)磨削紋路，橫截(jie)面呈現(xian)鋸齒狀紋路，同時表(biao)面殘留(liu)有磨料(liao)顆粒以及切削留(liu)下的(de)(de)痕跡。經研磨拋(pao)光+酸洗減薄工(gong)藝處(chu)理(li)(li)后(hou)的(de)(de)表(biao)面最為平整，表(biao)面粗糙(cao)度(du)為0.83μm。

(2)TA15鈦合金板材(cai)經研磨拋光+酸洗減薄工藝(yi)處理(li)后(hou)的(de)彎曲角(jiao)度最大，酸洗減薄工藝(yi)次之(zhi)，研磨拋光工藝(yi)最小。

(3)研(yan)磨拋(pao)光彎曲開(kai)裂試樣的(de)斷口相對平整(zheng)，裂紋起源于試樣表(biao)面。由于TA15鈦合金板材(cai)同時受拉應(ying)力和壓(ya)應(ying)力作(zuo)用，韌窩(wo)形態呈現多而深、具有方向性(xing)的(de)特征，為典型的(de)韌性(xing)撕裂斷口。

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