α相形態(tài)與含量對(duì)TA15鈦合金力學(xué)性能的影響

薛 強(qiáng)，彭雯雯，曾衛(wèi)東

(1.陜西宏遠(yuǎn)航空鍛造有限責(zé)任公司，陜西 咸陽(yáng) 713801)(2.西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072)

α相形態(tài)與含量對(duì)TA15鈦合金力學(xué)性能的影響

薛 強(qiáng)1，彭雯雯2，曾衛(wèi)東2

(1.陜西宏遠(yuǎn)航空鍛造有限責(zé)任公司，陜西 咸陽(yáng) 713801)(2.西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072)

通過(guò)對(duì)比分析具有不同初生α相含量和次生α相形態(tài)的TA15鈦合金的力學(xué)性能，對(duì)該合金初生α相含量及次生α相形態(tài)與力學(xué)性能之間的關(guān)系進(jìn)行了初探。結(jié)果表明：TA15鈦合金中初生α相含量和次生α相的形貌對(duì)強(qiáng)度有較大的影響，對(duì)塑性的影響則不明顯。初生α相含量增加，合金強(qiáng)度有所下降。當(dāng)初生α相含量高于40%后，含量再增加對(duì)合金塑性提升并無(wú)益處。片層α相厚度增加和其排列有序度的增強(qiáng)使合金的強(qiáng)度有所提升，但片層α相厚度的進(jìn)一步增加會(huì)使合金的強(qiáng)度下降。

TA15鈦合金；等軸α相；片層α相；力學(xué)性能

0 引 言

TA15鈦合金是一種與俄羅斯研制的BT20鈦合金成分相近的高鋁當(dāng)量的近α型鈦合金，其名義成分為T(mén)i-6Al-2Zr-1Mo-1V。該合金兼有α型和(α+β)型鈦合金的特點(diǎn)，具有較高的抗蠕變性、耐腐蝕性以及良好的焊接性能，并具有較高的室溫及中溫強(qiáng)度和良好的熱穩(wěn)定性，長(zhǎng)時(shí)間工作溫度可達(dá)500 ℃，工藝塑性接近于(α+β)型鈦合金，可制成板材、棒材、型材和鍛件等航空航天領(lǐng)域用的結(jié)構(gòu)件[1-2]。眾所周知，鈦合金的顯微組織決定了其力學(xué)性能，而除了要求顯微組織的均勻性外，對(duì)其組織參數(shù)(如β晶粒尺寸D、α集束尺寸d、α片層厚度b和初生α相的比例及形貌)的合理匹配也有著較高的要求，顯微組織的控制對(duì)鈦合金零件性能提升發(fā)揮著重要作用[2-3]。因此，如何控制TA15鈦合金組織參數(shù)并保證產(chǎn)品力學(xué)性能，對(duì)于成功研制航空航天用結(jié)構(gòu)件具有重要意義。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)TA15鈦合金的組織和性能做了初步研究，主要集中在焊接性能、疲勞性能[4-8]以及熱加工工藝優(yōu)化方面[9-11]，而對(duì)于該合金初生α相含量以及次生α相形態(tài)對(duì)TA15鈦合金力學(xué)性能影響的研究較少。因此，本研究對(duì)比分析具有不同初生α相含量和次生α相形態(tài)的TA15鈦合金的力學(xué)性能，對(duì)初生α相含量及次生α形態(tài)與力學(xué)性能之間的關(guān)系進(jìn)行了初探，從而為T(mén)A15鈦合金零件的生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用原材料為經(jīng)α+β兩相區(qū)鍛造后所得的6種TA15鈦合金棒材，其化學(xué)成分(w/%)為：Al 6.3，Zr 1.97，Mo 1.4，V 1.4，O 0.08，N 0.01，Ti余量。其β相轉(zhuǎn)變溫度為990 ℃。沿6種棒材軸向分別切取試樣，編號(hào)為1#～6#，并進(jìn)行金相組織觀測(cè)和力學(xué)性能測(cè)試。金相試樣為φ5 mm×10 mm的小圓柱，經(jīng)過(guò)粗磨、細(xì)磨和粗拋、細(xì)拋，隨后用V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶3∶7的腐蝕劑腐蝕，在OLYMPUS PMG3金相顯微鏡下選區(qū)拍照，以觀測(cè)其顯微組織。拉伸試樣根據(jù)GB/T 228—2002加工成標(biāo)距為50 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，并在SUN20電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

2 結(jié) 果

2.1 顯微組織

棒材在α+β兩相區(qū)進(jìn)行鍛造，故所討論的組織均為初生α+β轉(zhuǎn)的混合組織，只是初生α相含量和次生α相形態(tài)及厚度有所不同，如圖1和表1所示。

圖1 不同試樣的顯微組織Fig.1 Microstructures of different samples

表1 不同試樣等軸初生α相含量和片層α相厚度

Table 1 Content of primaryαphase and thickness ofαlayer with different samples

由圖1可以看出，1#試樣和3#～6#號(hào)試樣均為雙態(tài)組織，由等軸初生α相、片層次生α相和β殘相組成。其中，1#、3#和4#試樣的等軸初生α相含量均為40%，只是次生α相形態(tài)及厚度表現(xiàn)各異。1#試樣的片層次生α相較細(xì)，約為0.62 μm，排列具有一定方向性但還是較亂(圖1a)，而3#試樣的片層次生α相厚度有所增加，約為1.84 μm，且片層α相排列整齊具有較好的方向性(圖1c)，4#試樣片層α最為混亂(圖1d)。5#和6#試樣的等軸初生α相含量有所增加，約為45%，而片層次生α相排列均較為一致，具有較好的方向性(圖1e和f)，6#試樣片層α厚度(2.18 μm)較5號(hào)試樣的厚(1.71 μm)。與上述試樣相比較，2#試樣等軸初生α相含量最多，達(dá)到60%,為典型的等軸組織，顯微組織中存在少量的片層α相，其厚度約為1.35 μm，如圖1b所示。

2.2 力學(xué)性能

組織決定性能，具有不同初生α相含量和片層次生α形態(tài)及厚度的試樣呈現(xiàn)出不同的力學(xué)性能，如表2所示。由表2可知，其中等軸初生α相含量為40%且片層α方向性最好的3#試樣具有最好的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為1 017 MPa和957 MPa，延伸率和斷面收縮率分別為15.5%和48.5%。然而，具有最多等軸初生α相含量(60%)的2#試樣強(qiáng)度明顯下降，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為944 MPa和861 MPa，而塑性較為穩(wěn)定，延伸率和斷面收縮率分別為17%和47%。由此可見(jiàn)，初生α相含量和次生片層α形態(tài)及厚度對(duì)TA15鈦合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度影響較大，而對(duì)延伸率和斷面收縮率影響較小，其具體影響機(jī)制將在下節(jié)進(jìn)行闡述。

表2 不同試樣的力學(xué)性能

Table 2 Mechanical properties of different samples

3 分析與討論

3.1 初生α相含量對(duì)力學(xué)性能的影響

圖3為不同初生α相含量下TA15鈦合金的力學(xué)性能。由圖3可知，初生α相含量對(duì)TA15鈦合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度影響較大，而對(duì)延伸率和斷面收縮率影響較小。初生α相含量從40%提高至60%時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度從1 017 MPa下降至944 MPa，屈服強(qiáng)度從957 MPa減少為861 MPa，兩者降幅分別高達(dá)7.2%和10.0%。而延伸率和斷面收縮率波動(dòng)較小。其抗拉強(qiáng)度的減小與晶界處位錯(cuò)塞積程度下降有關(guān)。隨著初生α相含量增加，片層α相含量相對(duì)減小，片狀組織中由于同一α束具有相同的慣習(xí)面，位錯(cuò)能毫無(wú)阻礙地穿過(guò)互相平行的α束，垂直滑距長(zhǎng)，易出現(xiàn)粗滑移帶和微區(qū)變形不均勻，在晶界處易產(chǎn)生嚴(yán)重的位錯(cuò)塞積，然而片層α相含量減少則會(huì)引起位錯(cuò)塞積程度下降，因而合金表現(xiàn)出較低的強(qiáng)度[12]。另一方面，試樣塑性基本保持不變的原因與其初生α相含量均高于40%有關(guān)。王金友等人[13]指出，當(dāng)鈦合金中初生α相含量超過(guò)20%后，其含量的增加對(duì)合金塑性并無(wú)太大的提高作用。王玉會(huì)等人[14]在研究不同變形量TA15鈦合金的熱處理行為時(shí)，也得到類似的結(jié)論，即初生α相含量20%以上時(shí)塑性基本保持不變。

圖2 不同初生α相含量的TA5鈦合金的力學(xué)性能Fig.2 Mechanical properties of samples with different content of primary α phase

3.2 片層α相形態(tài)和厚度對(duì)力學(xué)性能的影響

除初生α相含量對(duì)TA15鈦合金的力學(xué)性能有影響外，片層次生α相形態(tài)及厚度對(duì)合金力學(xué)性能也有較大影響。為排除初生α相含量的干擾，本研究選取具有相同初生α相含量(均為40%)的1#、3#和4#試樣來(lái)進(jìn)行次生片層α相形態(tài)及厚度對(duì)合金力學(xué)性能影響的研究。圖3為不同片層α相厚度對(duì)合金力學(xué)性能的影響。從圖中可以看出，隨著片層α相厚度的增加，合金的強(qiáng)度都有所增加，抗拉強(qiáng)度由949 MPa增加至1 017 MPa，屈服強(qiáng)度從由874 MPa上升到957 MPa，增加幅度分別為7.2%和9.5%。但塑性指標(biāo)(延伸率和斷面收縮率)基本保持不變。另外，從圖1中可以看出，試樣片層α相排列的有序度從4#試樣的雜亂無(wú)章到1#試樣的部分有序，再到3#試樣的較為有序，有序度逐步增加，試樣對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度也逐漸增加。由此可見(jiàn)，合金片層α相厚度和排列有序度的增加，有利于合金強(qiáng)度的提高。其原因與片層α相厚度增加導(dǎo)致位錯(cuò)穿過(guò)片層α相所需的能量增加，且方向性的增強(qiáng)也增加了位錯(cuò)滑移的距離，增加了位錯(cuò)塞積的長(zhǎng)度和程度，因而合金的強(qiáng)度有所提升。但并不是片層α相厚度越厚越有利，當(dāng)片層α相厚度超過(guò)一定值時(shí)合金的強(qiáng)度也會(huì)降低。從5#和6#試樣可以看出，兩者初生α相含量相近，次生α相取向也較為一致，而6#試樣中次生片狀α相厚度較5#試樣的厚，合金的強(qiáng)度有所下降，表明次生α相厚度增加到一定程度后會(huì)使得材料的強(qiáng)度降低。至于不同片層α相厚度下TA15鈦合金塑性的不顯著變化仍與其40%等軸初生α相含量有關(guān)。

圖3 不同片層α相厚度的TA15鈦合金的力學(xué)性能Fig.3 Mechanical properties of samples with different thickness of α platelets

4 結(jié) 論

(1)初生α相含量和次生片層α相形態(tài)及厚度對(duì)TA15鈦合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度影響較大，而對(duì)延伸率和斷面收縮率影響較小。

(2)初生α相含量增加，合金的強(qiáng)度有所下降，且與晶界處位錯(cuò)塞積程度下降有關(guān)。初生α相含量高于40%后，初生α相含量增加對(duì)合金塑性提升并無(wú)益處。

(3)片層α相厚度增加和其排列有序度的增強(qiáng)使合金的強(qiáng)度有所提升，但片層α厚度的進(jìn)一步增加會(huì)使合金的強(qiáng)度下降。

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Effect of Alpha Phase Morphology and Content on Properties of TA15 Titanium Alloy

Xue Qiang1，Peng Wenwen2，Zeng Weidong2

(1.AVIC Shaanxi Hongyuan Aviation Forging Co.，Ltd.,Xianyang 713801,China)(2.State Key Laboratory of Solidification Processing,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China)

The effects of different primaryαcontents and secondaryαmorphologies on properties of TA15 titanium alloy were investigated by analyzing the properties of samples with different α phase morphologies and contents. The results show that the content of primaryαand the morphology of secondaryαhave a great effect on the properties of TA15 titanium alloy, but have no obviously effect on ductility. With increasing content of primary α, the strength decreases slightly, whereas the content of primaryαis above 40%, the elongation and area reduction are nearly unchanged. The high orientation consistency ofαplatelets is helpful to the strength of TA15 titanium alloy, but the coarsen ofαphase will decline strength of the alloy.

TA15 titanium alloy; equiaxedα;αplatelets; mechanical properties

2014-05-25

新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(NCET-07-0696)

薛強(qiáng)(1970—)，男，高級(jí)工程師。