國內(nèi)外TA15鈦合金板材微觀組織及疲勞性能研究

TA15鈦合金的名義成分為 Ti -6.5Al -2Zr-1Mo-1V ， TA15 鈦合金屬于高 Al 當(dāng)量的近 α 型鈦合[1-3]。TA15鈦合金作為近α 型合金，其組織和力學(xué)性能對熱處理工藝參數(shù)變化不敏感，因此熱變形工藝參數(shù)的選擇就顯得尤為重要，如何制定嚴(yán)格的熱成形工藝方案以控制微觀結(jié)構(gòu)的演變進(jìn)而獲得理想的性能是面臨的主要問題。基于微觀結(jié)構(gòu)的控制優(yōu)化材料性能，主要涉及微觀組織結(jié)構(gòu)和物相組成等方面 . 目前，大量的 TA15鈦合金研究主要集中在不同熱加工條件下微觀顯微組織演變規(guī)律及其對性能的影響， TA15 在兩相區(qū)熱處理時獲得雙態(tài)和等軸組織，在 β 相區(qū)熱處理獲得魏氏組織，冷卻速率決定 α 片層和 α 集束的尺寸[4] 。文獻(xiàn)[[5]認(rèn)為，對于薄板而言，提高退火溫度材料強(qiáng)度降低，塑性提高，而對厚板這種現(xiàn)象不明顯，熱處理參數(shù)的變化對 TA15鈦合金板材的顯微組織影響不大 . 文獻(xiàn)[6-7]研究表明，雙重?zé)崽幚磉^程中一次保溫時間對等軸初生α_p相形貌及分布等影響較大;二次保溫時間對 α s 相形貌、尺寸等具有顯著影響 . 文 獻(xiàn)[8]研究了基于模擬軋制工藝對TA15組織及性能的影響 。基于熱加工條件下組織演變規(guī) 律對力學(xué)性 能的影響研 究較少，而瞄準(zhǔn)TA15合金寬幅板材工業(yè)化生產(chǎn)，在加工成型過程中板材組織及其對最終加工成型板材性能的影響還未開展深入的研究工作 。文中結(jié)合TA15鈦板的實際工業(yè)生產(chǎn)線工藝，研究工業(yè)化生產(chǎn)工藝條件下TA15合金板材的組織形態(tài)及其對力學(xué)性能的影響，研究疲勞斷裂特征，以期相關(guān)研究能為從事相關(guān)工作的人員提供一定的參考 。

1、材料與方法

TA15 合金經(jīng) 1 個火次軋制 (軋制溫度 9３0℃ )獲得 δ 27mm 厚板材，其加工過程如圖 1 所示 .在 MTS370液壓萬能試驗機(jī)和高頻疲勞試驗機(jī)測試材料的拉伸和疲勞性能，并利用光學(xué)顯微鏡和JSM-6460 掃描電鏡觀察板材的組織結(jié)及物相組成，并對疲勞試樣的斷口進(jìn)行了觀察分析。

2、試驗結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

圖 2 為TA15鈦板的顯微組織，橫向及軋面組織均為典型的雙態(tài)組織由初生 α 相和 β 轉(zhuǎn)變組織組成 . 由圖 2 可以看到，橫向及軋面組織也有一定的區(qū)別:軋面組織的初生 α 相近似等軸，晶粒尺寸為25~４5 μ m (圖 2 ( a ))，而橫向組織中的初生 α 相有明顯的方向性，初生 α 相為長條狀，這是由于在軋制過程中，橫向組織受到垂直方向的壓力，導(dǎo)致初生 α 相受到擠壓變形并產(chǎn)生一定的方向性 。

圖 ３ 為 TA15 板材的電子背散射衍射( Elec -tronBackScatteredDiffraction ， EBSD )相圖，其中不同襯度的區(qū)域晶格結(jié)構(gòu)不同 . 與金相組織分析結(jié)果相同，顯微組織由 α 相和 β 相組成，初生及次生 α相所占比例較高，β 相所占比例較低 .圖 ３ 中的黑點為數(shù)據(jù)掃描過程中出現(xiàn)的無效點。

2.2 疲勞性能

在軋制后的TA15鈦板材，切取試樣毛坯，加工成杯狀光滑疲勞試樣，測試了室溫下光滑試樣的高周疲勞性能，疲勞試驗在室溫大氣中進(jìn)行，試驗波形為正弦波，頻率為 117Hz ，應(yīng)力比 R =0.1 ，根據(jù)升降法確定材料的疲勞極限 . 本試驗所選取的最大應(yīng)力 分 別 為 625MPa ， 6４0MPa ， 6４5MPa ， 650MPa ， 675MPa ， 750MPa 和 800MPa ，每一級應(yīng)力選取 2 根試樣，取 2 根試樣結(jié)果的算數(shù)平均值作為該應(yīng)力下的疲勞壽命 [9-10 ]。

結(jié)果表明試樣在 σ max ≤6４5MPa 時，試樣經(jīng) 107 次循環(huán)均未斷裂，故材料的疲勞極限為 6４5MPa。由試樣在上述不同應(yīng)力下的疲勞壽命結(jié)果可以得到 TA15 板的應(yīng)力 S - 循環(huán)。

2.３ 疲勞斷口形貌

圖 5 為樣品在不同加載應(yīng)力下的宏觀斷口形貌 . 由圖 5 可以看出，在不同應(yīng)力水平下疲勞試樣低倍斷口總體特征相同，斷口均由裂紋源區(qū) Ⅰ 、裂紋擴(kuò)展區(qū) Ⅱ 和瞬斷區(qū) Ⅲ３ 個不同區(qū)域組成，并且疲勞裂紋源均萌生于樣品表面 . 但是不同應(yīng)力水平下疲勞斷口中，裂紋擴(kuò)展區(qū) Ⅱ 在整個斷口所占比例有所不同，圖 5 ( a )( 800MPa )中裂紋擴(kuò)展區(qū)所占比例最小，圖 5 ( c )( 650MPa )中裂紋擴(kuò)展區(qū)所占比例最大，即 TA15 在疲勞試驗中，隨著應(yīng)力水平的降低裂紋擴(kuò)展區(qū)所占比例增加。

圖 6 為同一應(yīng)力水平下試樣的斷口形貌圖(最大應(yīng)力為 750MPa )，圖 6 ( a )為斷口宏觀形貌，如圖 6 ( b ) ~ ( d )分別為疲勞源、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)的顯微形貌 . 由圖 6 ( b )可以觀察到裂紋源區(qū)的微觀形貌呈現(xiàn)解理和沿晶斷口的特征，在圖 6 ( c )裂紋擴(kuò)展區(qū)可以觀察到明顯的疲勞輝紋，同時瞬斷區(qū)呈現(xiàn)出韌窩和穿晶混合斷口特征。

３、結(jié) 論

1 )由板材的金相顯微組織圖及 EBSD 相圖的物相分析表明: TA15鈦板材橫向及軋面組織均為典型的雙態(tài)組織，由初生 α 相和 β 轉(zhuǎn)變組織組成，橫向及軋面的初生 α 相形態(tài)有一定的差異。

2 )采用升降法利用高頻疲勞試驗機(jī)得到了在應(yīng)力 比 R = 0.1 時， TA15 板 材 的 疲 勞 極 限 為6４5MPa。

3）由疲勞斷口可以觀察到疲勞裂紋萌生于試樣表面，宏觀斷口形貌呈現(xiàn)典型的三個區(qū)域，即裂紋源區(qū) Ⅰ 、裂紋擴(kuò)展區(qū) Ⅱ 和瞬斷區(qū) Ⅲ. 各區(qū)域斷口微觀特征分別為裂紋源區(qū)主要呈現(xiàn)為沿晶的解理斷口，裂紋擴(kuò)展區(qū)觀察到明顯的疲勞輝紋，瞬斷區(qū)則出現(xiàn)大量韌窩并表現(xiàn)出穿晶斷裂的斷口形貌。 同時，對比不同應(yīng)力條件下的疲勞斷口，可以發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)力強(qiáng)度的降低，裂紋擴(kuò)展區(qū)面積逐漸增加 。

參考文獻(xiàn)

[1] 李興無，沙愛學(xué)，張旺峰，等 .TA15 合金及其在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中 的 應(yīng) 用 前 景 [ J ] . 鈦 工 業(yè) 進(jìn) 展， 200３ ， 20 ( ４ ／5 ): 90.LIXingwu ， SHA Aixue ， ZHANG angfeng ， etal. TA15Titanium AlloyandItsApplyingProspectsonAirframe [ J ] .Titanium IndustryProgress ， 200３ ， 20( ４ ／ 5 ): 90. ( inChinese )

[2]SUN QJ ， WANG GC.MicrostructureandSuperPlas-ticityofTA15Alloy[ J ] .MaterialsScienceandEngineer-ing: A ， 201４ ， 606 : ４01.

[3] 梁業(yè)，郭鴻鎮(zhèn)，劉鳴，等 .TA15 合金高溫本構(gòu)方程的研究[ J ] . 塑性工程學(xué)報，2008 ， 15 ( ４ ): 150.LIANG Ye ， GUO Hongzhen ， LIU Ming ， etal.Study onConstitutiveEquationsforHotDeformation ofTA15Alloy [ J ] .JournalofPlasticityEngineering，2008 ， 15 ( ４ ): 150. ( inChinese )

[4] 李士凱，熊柏青，惠松驍 . 熱處理制度對 TA15 合金組織與 性 能 的 影 響 [ J ] . 材 料 熱 處 理 學(xué) 報， 2008 ， 29( 6 ): 82.LIShikai， XIONG Baiqing ， ISongxiao.Effectof Heat -treatmentonMicrostructureandPropertiesofTA15Alloy [ J ] .TransactionsofMaterialsandHeatTreatment ， 2008 ， 29 ( 6 ): 82. ( inChinese )

[5] 劉瑞民，李興無，沙愛學(xué) .TA15 合金板材的組織和性能研究[ J ] . 材料開發(fā)與應(yīng)用，2005 ， 20 ( ４ ): 2３. LIU Ruimin ， LIXingwu ， SHA Aixue.TheStudyoftheMicrostructureandPropertiesofTA15TitaniumAlloyPlate [ J ] .DevelopmentandApplicationofMa-terials ， 2005 ， 20 ( ４ ): 2３. ( inChinese )

[6] LISK ， XIONG BQ ， HUISX.EffectsofCoolingRateontheFracturePropertiesofTA15ELIAlloyPlates [ J ] .RareMetals ， 2007 ， 26 ( 1 ): ３３.

[7] 朱景川，何東，楊夏煒，等 .TA15 鈦合金雙重?zé)崽幚砉に嚰捌湮⒂^組織演化的 EBSD 研究[ J ] . 稀有金屬材料與工程， 201３ ， ４2 ( 2 ): ３82. ZHU Jingchuan ， HE Dong ， YANG Xiawei， etal.EBSD StudyonDualHeatTreatmentandMicro-structureEvolutionofTA15TitaniumAlloy [ J] .RareMetalMateralsandEngineering ， 201３ ， ４2 ( 2 ): ３82. ( inChinese )

[8] 韓冠軍，楊合，孫志超，等 .TA15 合金大型筋板件等溫局部加載晶粒尺寸演化研究[ J ] . 塑性工程學(xué)報，2009 ， 16 ( 5 ): 112.

HAN Guanjun ， YANG He ， SUN Zhichao ， etal.Nu-mericalSimulation ofMicrostructureEvolution ofTA15AlloyLarge-scaleRib-webPartsDuringIso-thermalLocalLoadingProcess [ J ] .JournalofPlastici -tyEngineering ， 2009， 16 ( 5 ): 112. ( inChinese )

[9] 張慶玲，李興無 .TA15 鈦合金兩類組織對疲勞性能和斷裂韌度的影響[ J ] . 材料工程， 2007 ( 7 ): ３. ZHANGQingling ， LIXingwu.EffectofStructureonFatiguePropertiesandFractureToughnessforTA15Titanium Alloy [ J] .JournalofMaterialsEngineering ， 2007 ( 7 ): ３. ( inChinese )

[10] ZHAOA M ， YANG H ， FAN XG ， etal.TheFlowBehaviorandMicrostructureEvolutionDuring ( α +β ) Deformationof β WroughtTA15Titanium Alloy[ J ] .Materials& Design ， 2016 ， 109 : 12.