TA15鈦合金棒的制備工藝及性能分析

在(α+β)相區對TA15鈦合金棒進行鍛造，研究了t_β-15℃、t_β-30℃和t_β-50℃(t_β為β相變溫度)3種鍛造溫度對合金顯微組織和抗拉強度各向異性的影響。結果表明：隨著鍛造溫度降低，TA15鈦合金中初生α_p相含量增加，片層狀α相含量減少，厚度和長寬比減小，抗拉強度提高；TA15鈦合金在t_β-50℃溫度鍛造后沿流線方向的抗拉強度可達973MPa，3個方向抗拉強度的極差隨鍛造溫度的降低而減小；TA15鈦合金鍛造后的拉伸斷口均為韌性斷口，鍛造溫度越低，初生α_p相含量越高，斷口韌窩越深,而含有較多較細長片層狀α相時，斷口韌窩較淺。

1、試樣制備與試驗方法

試驗材料為?300mm的TA15鈦合金棒；該合金棒由3次真空自耗電弧熔煉鑄錠經β相區開坯和(α+β)相區鍛造而成。采用淬火金相法測得該爐批TA15鈦合金棒的相變溫度t_β為998℃。TA15鈦合金棒的顯微組織如圖1所示，可見初生α_p相分布于β相基體上，初生α_p相質量分數約55%，呈球狀或蠕蟲狀且分布均勻。

在油壓機上對TA15鈦合金棒進行鍛造，鍛造成厚度為200mm的方坯，鍛造加熱溫度分別為t_β-15℃、t_β-30℃和t_β-50℃，鍛后進行850℃×4h熱處理，空冷。在鈦合金鍛件上取樣，經去除氧化層、預磨、拋光后，采用Kroll試劑進行腐蝕，使用光學顯微鏡觀察顯微組織。在鈦合金鍛件上分別沿流線方向、寬度方向和厚度方向截取尺寸為?13mm×71mm的標準拉伸試樣，標距為25mm，在萬能試驗機上進行拉伸試驗，屈服前拉伸速度為0.005mm·s-1，屈服后拉伸速度為0.02mm·s-1。使用掃描電鏡(SEM)觀察拉伸斷口形貌。

2、試驗結果與討論

2.1 對顯微組織的影響

TA15鈦合金棒經(α+β)相區鍛造后的顯微組織為典型雙態組織，主要由球狀初生α_p相和β轉變組織組成，3個方向顯微組織差異較小，如圖2(a)所示。由圖2(b)~(d)可以看出：在t_β-15℃下鍛造后，沿流線方向片層狀次生α相排列整齊，呈棒狀分布于β相基體上；隨著鍛造溫度降低，片層狀α相的長度和寬度均減小。

由表1可以發現：當鍛造溫度由t_β-50℃升高到t_β-15℃時，球狀初生α_p相的質量分數由45%降低到15%，這是因為在較高溫度下，部分初生α_p相會轉變為β相。初生α_p相含量與片層狀α相含量成反比，因此隨鍛造溫度升高片層狀α相含量增加。隨著鍛造溫度降低，片層狀α相的厚度和長寬比減小。這是因為：在較高溫度下鍛造變形過程中，大量位錯促進α相發生動態再結晶，片層狀α相形核后會迅速長大，因此片層的厚度較大；此外，由于片層狀α相的厚度方向與β相界面為半共格界面，厚度方向的長大速率遠小于長度方向，因此片層狀α相的長寬比也較大。

表1 不同溫度鍛造后TA15鈦合金中初生α_p相含量和片層狀α相尺寸

2.2 對拉伸性能的影響

由圖3可以看出，隨著鍛造溫度的升高，TA15鈦合金沿流線方向的抗拉強度和屈服強度均降低。結合表1分析可知：隨鍛造溫度升高，初生α_p相含量減少，相應的片層狀α相含量增加，并且片層狀α相的長寬比增大；當位錯穿過同一集束尺寸的片層狀次生α相時，位錯的垂直滑移距離縮短，位錯塞積程度降低，因此強度降低。此外，在較高溫度下鍛造后，片層狀次生α相排列較為整齊，而隨著鍛造溫度降低，次生α相排列混亂度增加，起到了彌散強化的作用；在拉伸過程中，位錯在滑移過程中所遇到的阻力增強，導致大量位錯塞積在彌散的強化相中，因此合金強度增加。

由圖4可以看出：隨著鍛造溫度的降低，TA15鈦合金3個方向的抗拉強度均增加；在t_β-15℃和t_β-30℃下進行鍛造，鍛件3個方向的抗拉強度極差分別為24，23MPa，在t_β-50℃下鍛造后，3個方向的抗拉強度極差減小到10MPa。鈦合金的斷裂過程與裂紋擴展路徑的曲折程度有關，而影響裂紋擴展路徑的主要因素是α相的形態和含量。由于α/β相界面的結合能較弱，裂紋通常沿著α/β相界面擴展。當裂紋擴展方向與α/β相界面保持一致時，裂紋沿α/β相界面擴展；而當裂紋擴展方向與α/β相界面不一致時，裂紋將產生停滯效應或被迫改變擴展方向，從而消耗更多的能量。較高溫度鍛造后合金中大量α相以片層狀組織形式存在，而片層狀α相集束的不同取向會阻礙裂紋擴展，裂紋穿越集束邊界時改變方向，形成裂紋分叉并萌生二次裂紋，這些過程均需消耗更多的能量。片層α相集束由于具有較強的方向性，其斷裂過程也存在較強的方向性。在較低溫度下鍛造時，TA15鈦合金的顯微組織中存在大量球狀α_p相，當裂紋穿過球狀α_p相時無需改變裂紋擴展方向，擴展路徑不分叉，無需消耗更多能量，因此抗拉強度極差較小。

2.3 對拉伸斷口形貌的影響

TA15鈦合金在(α+β)相區鍛造并沿流線方向拉伸后的試樣宏觀上呈杯錐狀形態，斷口上存在纖維區、放射區和剪切唇3個區域，如圖5(a)所示，試樣有明顯頸縮現象，表明為韌性斷裂。由圖5(b)~ (d)可知：在t_β-50℃下鍛造后，TA15鈦合金沿流線方向拉伸后的斷口纖維區存在大量較深的等軸狀韌窩，表明其在斷裂過程中吸收能量較高；而在t_β-30℃和t_β-15℃下鍛造后，拉伸斷口纖維區雖仍以韌窩為主，但韌窩較淺。結合顯微組織分析可知，含有大量球狀初生α_p相的鍛件韌窩較深，而含有較多較細長片層狀α相的鍛件韌窩較淺。

拉伸斷裂過程是裂紋形核和長大的過程。鈦合金的α/β相界面是潛在的裂紋形核源。較多初生α_p相的存在減少了裂紋形核源，在塑性變形過程中優先出現屈服現象，在位錯擴展過程中裂紋擴展的有效距離增加，形成較深韌窩。片層狀組織為裂紋形核提供大量形核位置，對應力集中起分散效應，且片層狀α相中位錯擴展的有效滑移距離較短，因此在含有較多較細長片層狀α相的組織中，形成較淺的韌窩。

3、結 論

(1) 經(α+β)相區鍛造后，隨著鍛造溫度降低，TA15鈦合金棒中球狀初生α_p相含量增加，片層狀次生α相含量減少，厚度減小，合金強度增大，在t_β-50℃下鍛造后，沿流線方向的抗拉強度達973MPa。

(2) 隨著鍛造溫度降低，TA15鈦合金流線方向、寬度方向和厚度方向的抗拉強度極差減小。

(3) TA15鈦合金在(α+β)相區鍛造后的室溫拉伸斷口均為韌性斷口，隨著鍛造溫度降低，拉伸斷口纖維區韌窩變深。