TA15（Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr）鈦合金屬于高Al當量(liang)的近α型鈦合金，其既(ji)有(you)α型鈦合金良好的熱(re)強性和可焊(han)性，又(you)有(you)接近于α-β型鈦合金的工藝塑性，長時間工作(zuo)溫度(du)可達500℃，在航空航天等領(ling)域得到了(le)廣泛(fan)應用。TA15鈦合金半成(cheng)品主(zhu)要有(you)板(ban)材(cai)、棒材(cai)、鍛件、型材(cai)、鑄件等，其中(zhong)板(ban)材(cai)占有(you)重要地位。

1、實驗

實驗材料為(wei)采用(yong)真(zhen)空自耗電弧爐經(jing)3次熔煉制備的(de)TA15鈦(tai)合金鑄錠(ding)(ding)，金相法(fa)測定相變點Tβ為(wei)996℃。鑄錠(ding)(ding)開坯(pi)(pi)后，采用(yong)萬噸油壓機鍛造加工成240mm厚鍛坯(pi)(pi)，其(qi)主要(yao)化學(xue)成分見表1。

采(cai)用3種工(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)在1200mm四(si)輥(gun)可逆式熱(re)軋(ya)機上軋(ya)制(zhi)(zhi)鍛坯，得到厚度(du)為(wei)(wei)10.0mm的(de)成(cheng)品TA15鈦(tai)合金中(zhong)(zhong)板。一火(huo)開(kai)坯加熱(re)溫度(du)為(wei)(wei)Tβ–（20~50）℃，其(qi)他火(huo)次(ci)(ci)(ci)加熱(re)溫度(du)為(wei)(wei)Tβ–（30~60）℃，各火(huo)次(ci)(ci)(ci)變(bian)形量為(wei)(wei)40%~70%。3種軋(ya)制(zhi)(zhi)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)如下：工(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)Ⅰ為(wei)(wei)一次(ci)(ci)(ci)換(huan)向+四(si)火(huo)次(ci)(ci)(ci)軋(ya)制(zhi)(zhi)；工(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)Ⅱ為(wei)(wei)二次(ci)(ci)(ci)換(huan)向+四(si)火(huo)次(ci)(ci)(ci)軋(ya)制(zhi)(zhi)；工(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)Ⅲ為(wei)(wei)一次(ci)(ci)(ci)換(huan)向+三火(huo)次(ci)(ci)(ci)大(da)變(bian)形軋(ya)制(zhi)(zhi)。通(tong)過對比工(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)Ⅰ與工(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)Ⅱ，分析換(huan)向次(ci)(ci)(ci)數對TA15鈦(tai)合金中(zhong)(zhong)板顯微(wei)組(zu)織(zhi)(zhi)和(he)(he)力(li)(li)學(xue)性能的(de)影(ying)響；通(tong)過對比工(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)Ⅰ與工(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)Ⅲ，分析變(bian)形量對TA15鈦(tai)合金中(zhong)(zhong)板顯微(wei)組(zu)織(zhi)(zhi)和(he)(he)力(li)(li)學(xue)性能的(de)影(ying)響。

2、結果與分析

2.1顯微組織

3種(zhong)TA15鈦(tai)合金(jin)中板(ban)顯(xian)微(wei)組(zu)(zu)織如圖1所(suo)示(shi)。從(cong)圖1可以(yi)看出，3種(zhong)TA15鈦(tai)合金(jin)中板(ban)顯(xian)微(wei)組(zu)(zu)織均(jun)為(wei)α+β兩相(xiang)區加工(gong)組(zu)(zu)織，無連續(xu)平(ping)直(zhi)的晶界(jie)α相(xiang)，原(yuan)始β晶界(jie)被充分破(po)碎(sui)，符合GJB2505A—2008《航空用鈦(tai)及鈦(tai)合金(jin)板(ban)材(cai)和帶材(cai)規范》中對TA15鈦(tai)合金(jin)板(ban)材(cai)顯(xian)微(wei)組(zu)(zu)織的要求。相(xiang)比之下，樣(yang)品(pin)(pin)B初(chu)生α等軸化(hua)程度(du)較好，樣(yang)品(pin)(pin)A次(ci)之，樣(yang)品(pin)(pin)C出現大量拉長的初(chu)生α相(xiang)。可見(jian)，增加換向次(ci)數有利于提高(gao)TA15鈦(tai)合金(jin)中板(ban)初(chu)生α相(xiang)等軸化(hua)程度(du)，而大變形軋制使(shi)得初(chu)生α相(xiang)拉長程度(du)加劇。

采用Image-ProPlus6.0軟件(jian)對3種TA15鈦合(he)金中(zhong)板初生(sheng)α相尺寸(cun)進(jin)行測(ce)量統計，結果見表(biao)2。從表(biao)2可以看(kan)出，樣品B的(de)初生(sheng)α相最為(wei)細(xi)小，尺寸(cun)為(wei)6.7μm；樣品C次(ci)之，尺寸(cun)為(wei)7.9μm；而樣品A的(de)初生(sheng)α相最為(wei)粗大，尺寸(cun)為(wei)9.4μm。這(zhe)表(biao)明增加換向次(ci)數或者(zhe)采用大變形(xing)軋制均有助(zhu)于細(xi)化組(zu)織，且前者(zhe)效果更為(wei)顯著。

2.2室溫力學性能

3種(zhong)(zhong)(zhong)TA15鈦(tai)(tai)合(he)金中(zhong)(zhong)(zhong)板的室(shi)溫拉(la)(la)伸(shen)(shen)性能如圖(tu)2所示(shi)。從圖(tu)2可以(yi)看出，3種(zhong)(zhong)(zhong)TA15鈦(tai)(tai)合(he)金中(zhong)(zhong)(zhong)板橫(heng)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)抗拉(la)(la)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)、屈(qu)(qu)服(fu)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)和(he)(he)延伸(shen)(shen)率(lv)均高于縱(zong)(zong)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，結果也均符合(he)GJB2505A—2008標準中(zhong)(zhong)(zhong)對TA15鈦(tai)(tai)合(he)金板材(cai)抗拉(la)(la)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)（930~1130MPa）、屈(qu)(qu)服(fu)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)（≥855MPa）和(he)(he)延伸(shen)(shen)率(lv)（≥8%）的要(yao)求，且富余量較(jiao)高。其中(zhong)(zhong)(zhong)，樣(yang)(yang)品A和(he)(he)樣(yang)(yang)品B的橫(heng)縱(zong)(zong)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)抗拉(la)(la)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)和(he)(he)屈(qu)(qu)服(fu)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)均相差不(bu)大(da)，而樣(yang)(yang)品C的橫(heng)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)抗拉(la)(la)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)和(he)(he)屈(qu)(qu)服(fu)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)較(jiao)低，縱(zong)(zong)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)抗拉(la)(la)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)和(he)(he)屈(qu)(qu)服(fu)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)明顯增加。3種(zhong)(zhong)(zhong)TA15鈦(tai)(tai)合(he)金中(zhong)(zhong)(zhong)板的橫(heng)縱(zong)(zong)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)延伸(shen)(shen)率(lv)差別(bie)不(bu)大(da)。通過計算可知，樣(yang)(yang)品A、樣(yang)(yang)品B和(he)(he)樣(yang)(yang)品C的橫(heng)縱(zong)(zong)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)抗拉(la)(la)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)的差值分(fen)別(bie)為53、72和(he)(he)7MPa，橫(heng)縱(zong)(zong)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)屈(qu)(qu)服(fu)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)的差值分(fen)別(bie)為66、77和(he)(he)19MPa，可見樣(yang)(yang)品C的橫(heng)縱(zong)(zong)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)差異(yi)最小。這表明換向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)次數對TA15鈦(tai)(tai)合(he)金中(zhong)(zhong)(zhong)板室(shi)溫拉(la)(la)伸(shen)(shen)性能影響不(bu)大(da)，而大(da)變形軋(ya)制可有效減(jian)小TA15鈦(tai)(tai)合(he)金中(zhong)(zhong)(zhong)板橫(heng)縱(zong)(zong)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)室(shi)溫強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)差異(yi)。

研(yan)究認為(wei)，板材(cai)軋(ya)制后橫縱向力(li)學性能差(cha)異(yi)是由(you)于材(cai)料在(zai)不(bu)同方向上(shang)(shang)的(de)(de)滑(hua)移能力(li)不(bu)同造成(cheng)的(de)(de)，而不(bu)同方向上(shang)(shang)的(de)(de)滑(hua)移能力(li)與軋(ya)制后的(de)(de)織構密不(bu)可分(fen)(fen)。Gey等[14]對(dui)織構類型及其形(xing)成(cheng)機制研(yan)究發(fa)現，當(dang)初生α相(xiang)(xiang)與β相(xiang)(xiang)保持Burger’s取(qu)向關系(xi)時，在(zai)熱軋(ya)變形(xing)后的(de)(de)冷卻過程中(zhong)，β→α相(xiang)(xiang)變將優先形(xing)成(cheng)特定取(qu)向的(de)(de)α相(xiang)(xiang)，從(cong)而導致局部變形(xing)織構被保留(liu)；而當(dang)大變形(xing)充分(fen)(fen)破壞了初生α相(xiang)(xiang)與β相(xiang)(xiang)之間的(de)(de)Burger’s取(qu)向關系(xi)時，將減少織構的(de)(de)形(xing)成(cheng)。因此，相(xiang)(xiang)對(dui)于樣(yang)(yang)品(pin)(pin)A和(he)樣(yang)(yang)品(pin)(pin)B，采用大變形(xing)軋(ya)制的(de)(de)樣(yang)(yang)品(pin)(pin)C變形(xing)更為(wei)充分(fen)(fen)，其織構強(qiang)度弱，故而橫縱向力(li)學性能差(cha)異(yi)較小。

2.3高溫力學性能

2.3.1高溫拉(la)伸性能

3種TA15鈦合(he)金(jin)中(zhong)板(ban)(ban)在(zai)500℃高溫(wen)(wen)(wen)下的(de)抗拉強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)如圖3所示。從圖3可以看出，3種TA15鈦合(he)金(jin)中(zhong)板(ban)(ban)的(de)高溫(wen)(wen)(wen)抗拉強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)均符合(he)GJB2505A—2008要求（500℃高溫(wen)(wen)(wen)抗拉強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)≥635MPa），且富余量(liang)較高。與室溫(wen)(wen)(wen)抗拉強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)變(bian)化一致，樣品(pin)A在(zai)500℃的(de)高溫(wen)(wen)(wen)橫(heng)(heng)縱(zong)向(xiang)(xiang)抗拉強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)與樣品(pin)B相差(cha)不(bu)大(da)，且2種板(ban)(ban)材橫(heng)(heng)縱(zong)向(xiang)(xiang)抗拉強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)差(cha)值均為(wei)66MPa。而與樣品(pin)A和樣品(pin)B相比(bi)，樣品(pin)C橫(heng)(heng)向(xiang)(xiang)高溫(wen)(wen)(wen)抗拉強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)降低，縱(zong)向(xiang)(xiang)增大(da)，其橫(heng)(heng)縱(zong)向(xiang)(xiang)抗拉強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)差(cha)異(yi)明顯較小，僅為(wei)6MPa。該結果(guo)同樣表明，換向(xiang)(xiang)次數對TA15鈦合(he)金(jin)中(zhong)板(ban)(ban)高溫(wen)(wen)(wen)拉伸性(xing)能的(de)影響不(bu)大(da)，而大(da)變(bian)形軋制(zhi)有利于橫(heng)(heng)縱(zong)向(xiang)(xiang)高溫(wen)(wen)(wen)抗拉強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)差(cha)異(yi)的(de)減小。

2.3.2高溫持久性能

在(zai)500℃/470MPa條件下，3中(zhong)TA15鈦合金中(zhong)板(ban)的(de)持久性能檢(jian)測結(jie)果顯示，橫縱(zong)向試樣均可保持70.5h未發生斷裂，表現良好。

在500℃/440MPa條件下，3種TA15鈦合金中板(ban)的持(chi)(chi)(chi)久(jiu)性(xing)能見表(biao)3。從表(biao)3可以看出，樣(yang)品A和樣(yang)品B均有1個(ge)縱(zong)(zong)向(xiang)試樣(yang)提前斷(duan)(duan)裂，其(qi)余2個(ge)縱(zong)(zong)向(xiang)試樣(yang)和3個(ge)橫向(xiang)試樣(yang)保持(chi)(chi)(chi)121h未發生斷(duan)(duan)裂；樣(yang)品C橫縱(zong)(zong)試樣(yang)均保持(chi)(chi)(chi)121h未發生斷(duan)(duan)裂。由此(ci)可見，采用(yong)一次換向(xiang)+三火(huo)次大變形軋制的樣(yang)品C持(chi)(chi)(chi)久(jiu)性(xing)能最佳(jia)。

3、結論

(1)分別采(cai)(cai)用(yong)一(yi)次(ci)換(huan)向(xiang)+四火(huo)次(ci)軋制(zhi)、二次(ci)換(huan)向(xiang)+四火(huo)次(ci)軋制(zhi)和一(yi)次(ci)換(huan)向(xiang)+三火(huo)次(ci)大(da)變形軋制(zhi)工藝制(zhi)備出10.0mm厚TA15鈦合金中板，其組(zu)織均為α+β兩(liang)相區加工組(zu)織。采(cai)(cai)用(yong)二次(ci)換(huan)向(xiang)+四火(huo)次(ci)軋制(zhi)的樣(yang)品B初生α相最為細(xi)小(xiao)，等軸化程度(du)最高，而采(cai)(cai)用(yong)一(yi)次(ci)換(huan)向(xiang)+三火(huo)次(ci)大(da)變形軋制(zhi)的樣(yang)品C初生α相大(da)小(xiao)次(ci)之，但其拉長程度(du)最為顯著。

(2)3種(zhong)TA15鈦合金中板(ban)橫(heng)縱向室溫(wen)(wen)拉伸性能和500℃高溫(wen)(wen)拉伸性能均符合GJB2505A—2008標準中對(dui)TA15鈦合金板(ban)材的(de)要求。采用一次(ci)換向+三(san)火次(ci)大(da)變(bian)形軋制的(de)樣品C室溫(wen)(wen)抗(kang)拉強度、屈服強度及500℃高溫(wen)(wen)抗(kang)拉強度橫(heng)縱向差(cha)異(yi)最(zui)小。

(3)3種TA15鈦合金中板在500℃/470MPa條件下(xia)的持久(jiu)性(xing)能均表現良好，而(er)在500℃/440MPa條件下(xia)采(cai)用一次(ci)換(huan)向+三(san)火次(ci)大變形軋制的樣(yang)品C持久(jiu)性(xing)能最佳。

(4)工業化生產中(zhong)(zhong)(zhong)要獲得初(chu)生α相細小、等軸化程度高的(de)TA15鈦(tai)合金中(zhong)(zhong)(zhong)板(ban)時，可優(you)先選用(yong)二次(ci)換向+四火次(ci)軋(ya)制工藝；而(er)需(xu)要獲得力學性(xing)能橫(heng)縱向差異較小、持久(jiu)性(xing)能更為(wei)穩定可靠(kao)的(de)TA15鈦(tai)合金中(zhong)(zhong)(zhong)板(ban)時，可優(you)先選用(yong)一次(ci)換向+三火次(ci)大變形軋(ya)制工藝。

文章引(yin)用：張苗(miao),孫(sun)夢奇,馬佳琨等.TA15鈦(tai)(tai)合金中板組織與(yu)力學(xue)性能(neng)研(yan)究[J].鈦(tai)(tai)工業進展(zhan),2023,40(04):40-43.DOI:10.13567/j.cnki.issn1009-9964.2023.04.006.