熱處理對(duì)TA15合金板材組織性能的影響

TA15合金是前蘇聯(lián)研制的近α鈦合金，其名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，屬高鋁當(dāng)量近α型合金，主要應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件及發(fā)動(dòng)機(jī)上[1-2]，薄板用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣，厚板用于大截面構(gòu)件。該合金具有較高的室溫及高溫強(qiáng)度、良好的熱穩(wěn)定性和焊接性能，可制成板材、棒材、鍛件等。目前，國(guó)產(chǎn)的TA15鈦合金板材性能與俄羅斯同類合金B(yǎng)T20相比性能穩(wěn)定性較差。因此對(duì)該合金板材在不同熱處理溫度下組織性能的變化進(jìn)行研究具有重要的意義。本文通過對(duì)TA15鈦合金板材進(jìn)行不同溫度的熱處理，分析了750～850℃區(qū)間內(nèi)熱處理溫度對(duì)TA15厚板和薄板組織、常溫性能、高溫性能的影響，可為不同厚度TA15板材的熱處理工藝選擇提供依據(jù)。

1、試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用TA15合金板材成分為Al：6.7，Zr：2.0，Mo：1.7，V：2.2，余量為Ti。對(duì)厚度為45mm厚的中厚板采用750，800，850℃，1h進(jìn)行退火，對(duì)2.5mm厚的薄板，采用750，800，850℃，40min進(jìn)行退火，最后對(duì)上述退火后的厚板和薄板進(jìn)行組織、性能測(cè)試。

2、試驗(yàn)結(jié)果

厚度為45mm的TA15鈦板材在750，800，850℃，保溫1h的室溫拉伸性能如圖1所示，在750℃退火時(shí)抗拉強(qiáng)度最高，800℃最低，隨著退火溫度升高至850℃，抗拉強(qiáng)度又略有上升。此時(shí)板材的橫向延伸率與抗拉強(qiáng)度成反比，而縱向延伸率在退火溫度為800℃時(shí)達(dá)最低值15%。

厚度為45 mm的TA15板材在750，800，850 ℃，保溫1h的顯微組織見圖2。

由圖2可知，750℃退火時(shí)TA15板材組織不均勻，晶粒尺寸范圍為5~100μm，且存在長(zhǎng)條狀初生α晶粒。

基于45mmTA15厚板750℃熱處理時(shí)再結(jié)晶發(fā)生不完全，對(duì)2.5mmTA15薄板采用800℃，830℃，850℃，保溫40min進(jìn)行熱處理，對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能如圖3所示。可以看到隨變形量增加，2.5mm薄板強(qiáng)度明顯增加，比45mm厚板增強(qiáng)約200MPa，說明隨變形量增加晶粒破碎明顯，提高該合金強(qiáng)度。800℃熱處理時(shí)對(duì)應(yīng)最高的強(qiáng)度，但塑性較低，830℃熱處理時(shí)強(qiáng)度略有下降，但塑性升高，這與退火溫度升高，回復(fù)與再結(jié)晶進(jìn)行完全有關(guān)，而850℃時(shí)初生α相略有減少，次生α相在基質(zhì)內(nèi)析出的數(shù)量與長(zhǎng)大達(dá)到最佳匹配，對(duì)應(yīng)著強(qiáng)度與塑性的同時(shí)提高。而且隨熱處理溫度升高，橫縱向差異逐漸減小。

3、試驗(yàn)分析

750℃退火時(shí)未發(fā)生完全再結(jié)晶，存在大量變形抗力，而800℃退火時(shí)因大部分晶粒發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，生成大量細(xì)小等軸α相，提高了合金的變形協(xié)調(diào)能力，因此強(qiáng)度降低，塑性上升。850℃退火時(shí)隨退火溫度升高，回復(fù)與再結(jié)晶發(fā)生的更加完全，亞穩(wěn)定β相充分分解，整個(gè)基體中彌散分布著細(xì)小的次生α相，此時(shí)強(qiáng)化效果最好，但也因?yàn)榘殡S著少量初生α相的減少與次生α相的析出，這在一定程度上會(huì)導(dǎo)致合金強(qiáng)度升高，塑性降低。對(duì)比橫縱向性能可以看出，隨退火溫度升高，橫縱向差異逐漸減小，這與應(yīng)力消除，晶粒等軸化程度增強(qiáng)有關(guān)。對(duì)應(yīng)的顯微組織如圖2所示，可以看到隨退火溫度升高，初生α相數(shù)量逐漸減少，次生α相晶粒長(zhǎng)大明顯。說明該近α鈦合金對(duì)應(yīng)的性能與初生α相與次生α相的數(shù)量、大小的匹配有緊密的聯(lián)系。

4、結(jié)論

TA15厚板與薄板在兩相區(qū)750℃～850℃進(jìn)行熱處理，隨熱處理溫度升高，強(qiáng)度先降低后增加，塑性則逐漸增加，都在850℃熱處理達(dá)到強(qiáng)度與塑性的最佳匹配。這與初生α相與次生α相的數(shù)量、大小的匹配有緊密的聯(lián)系；而且隨退火溫度升高，橫縱向差異逐漸減小。

參考文獻(xiàn)

[1]王金友、葛志明、周彥邦.航空用鈦合金[M]上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1985:68

[2]李興無、儲(chǔ)俊鵬、張慶鈴等.金屬學(xué)報(bào)[J]，1999，35（Sup-pl1）:S436