王 哲1,冉 兴2,3,刘程程4,王 欣5

(1.陕西宏远航空锻造有限责任公司,咸阳 713801;2.清华大学机械工程系,北京 100084; 3.中航重机股份有限公司,贵阳 550005;4.北京星航机电装备有限公司,北京 100074; 5.中国航发北京航空材料研究院,北京 100095)

摘 要:在(α+β)相区对 TA15钛合金棒进行锻造,研究了tβ-15℃、tβ-30℃和tβ-50℃(tβ 为β相变温度)3种锻造温度对合金显微组织和抗拉强度各向异性的影响。结果表明:随着锻造温 度降低,TA15钛合金中初生αp 相含量增加,片层状α相含量减少,厚度和长宽比减小,抗拉强度 提高;TA15钛合金在tβ-50 ℃温度锻造后沿流线方向的抗拉强度可达973MPa,3个方向抗拉强 度的极差随锻造温度的降低而减小;TA15钛合金锻造后的拉伸断口均为韧性断口,锻造温度越 低,初生αp 相含量越高,断口韧窝越深,而含有较多较细长片层状α相时,断口韧窝较浅。

关键词:锻造温度;TA15钛合金;显微组织;抗拉强度;各向异性 中图分类号:TG146.23 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)07-0006-05

0 引 言

钛合金以其低密度、高比强度以及优异的耐蚀 性等特点而广泛应用于航空、航天、船舶等领域[1]。 其中,TA15钛合金是在俄罗斯 BT22钛合金的基 6 王 哲,等:锻造温度对 TA15钛合金显微组织及抗拉强度各向异性的影响 础上研制的一种高铝当量近α型钛合金,该合金兼 有α型和(α+β)型钛合金的优点,如良好的热加工 性、热强性和焊接性,较高的室温和中温强度,可在 450~500 ℃长期使用,因此被应用于整体隔框、进 气道格栅防护罩和中央翼下壁板等部件[2-4]。目前, 航空用钛合金主要采用锻造为主的成型工艺。钛合 金锻件的显微组织与其热加工历史(变形、热处理 等)密切相关,近α及(α+β)型钛合金在(α+β)相区 锻造获得的双态组织具有优异的综合性能[5-6]。近 些年,研究人员对 TA15钛合金热加工后的组织和 性能关系进行了深入研究。张旺峰等[7]研究了热处 理工艺对 TA15钛合金组织和性能的影响;JI等[8] 研究了不同热工艺条件下 TA15钛合金三态组织中 片层状α相的演变规律;WU 等[9]采用热模拟压缩 试验研究了 TA15钛合金热变形过程中的热变形行 为及组织球化过程。 目前,国内外对 TA15钛合金的研究主要集中 在热压缩模拟试验以及单一方向组织与性能之间的 影响关系上,而对该合金不同方向上显微组织与力 学性能的相关报道较少。作者通过对 TA15钛合金 棒在(α+β)相区不同温度下进行锻造,研究了锻造 温度对 TA15钛合金锻件显微组织和抗拉强度各向 异性的影响,为该合金获得优异组织和力学性能的 热加工工艺制定提供理论依据,从而为该钛合金锻 件生产提供指导。

1 试样制备与试验方法

试验材料为?300mm 的 TA15钛合金棒;该合 金棒由3次真空自耗电弧熔炼铸锭经β相区开坯和 (α+β)相区锻造而成,化学成分见表1。采用淬火 金相法测得该炉批 TA15 钛合金棒的相变温度tβ 为998 ℃。TA15 钛 合 金 棒 的 显 微 组 织 如 图 1 所 示,可见初生αp 相分布于β相基体上,初生αp 相质 量分数约55%,呈球状或蠕虫状且分布均匀。 表1 TA15钛合金棒的化学成分 Table1 ChemicalcompositionofTA15titaniumalloybar % 元素 Al V Mo Zr C Fe Si O N H Ti 质量分数 6.83 2.26 1.81 2.22 0.006 0.047 0.024 0.11 0.006 0.0025 余 图1 TA15钛合金棒的显微组织 Fig.1 MicrostructureofTA15titaniumalloybar 在陕西宏远航空锻造有限责任公司16MN 油 压机上对 TA15钛合金棒进行锻造,锻造成厚度为 200mm 的方坯,锻造加热温度分别为tβ-15 ℃、 tβ-30 ℃和tβ-50 ℃,锻后进行850 ℃×4h热处 理,空冷。在钛合金锻件上取样,经去除氧化层、预 磨、抛光后,采用 Kroll试剂(HF、HNO3、H2O 的体 积比为1∶2∶7)进行腐蚀,使用 LeicaDMI3000M 型 光学显微镜观察显微组织。在钛合金锻件上分别沿 流 线 方 向、宽 度 方 向 和 厚 度 方 向 截 取 尺 寸 为 ?13mm×71mm 的 标 准 拉 伸 试 样,标 距 为 25mm,在Instron3200型万能试验机上进行拉伸 试验,屈服前拉伸速度为0.005mm·s -1,屈服后拉 伸速度为0.02 mm·s -1。使用 TecnaiG2F30S型 扫描电镜(SEM)观察拉伸断口形貌。

2.2 对拉伸性能的影响

图3 不同温度锻造后 TA15钛合金沿流线方向的抗拉强度和 屈服强度 Fig.3 Tensilestrengthandyieldstrengthalongstreamlinedirectionof TA15titaniumalloyforgedatvarioustemperatures 由图3可以看出,随着锻造温度的升高,TA15 钛合金沿流线方向的抗拉强度和屈服强度均降低。 结合表2分析可知:随锻造温度升高,初生αp 相含 量减少,相应的片层状α相含量增加,并且片层状α 相的长宽比增大;当位错穿过同一集束尺寸的片层 状次生α相时,位错的垂直滑移距离缩短,位错塞积 程度降低[11],因此强度降低。此外,在较高温度下 锻造后,片层状次生α相排列较为整齐,而随着锻造 温度降低,次生α相排列混乱度增加,起到了弥散强 化的作用[12] ;在拉伸过程中,位错在滑移过程中所 遇到的阻力增强,导致大量位错塞积在弥散的强化 相中,因此合金强度增加[13]。 图4 不同温度锻造后 TA15钛合金沿不同方向的抗拉强度 Fig.4 TensilestrengthindifferentdirectionsofTA15titanium alloyforgedatvarioustemperatures 由图4可以看出:随着锻造温度的降低,TA15 钛合金3个方向的抗拉强度均增加;在tβ-15 ℃和 tβ-30 ℃下进行锻造,锻件3个方向的抗拉强度极 差分别为24,23MPa,在tβ-50℃下锻造后,3个方 向的抗拉强度极差减小到10 MPa。钛合金的断裂 过程与裂纹扩展路径的曲折程度有关,而影响裂纹 8 王 哲,等:锻造温度对 TA15钛合金显微组织及抗拉强度各向异性的影响 扩展路径的主要因素是 α相的形态和含量。由于 α/β相界面的结合能较弱,裂纹通常沿着 α/β相界 面扩展。当裂纹扩展方向与 α/β相界面保持一致 时,裂纹沿 α/β相界面扩展;而当裂纹扩展方向与 α/β相界面不一致时,裂纹将产生停滞效应或被迫 改变扩展方向,从而消耗更多的能量[14]。较高温 度锻造 后 合 金 中 大 量 α相 以 片 层 状 组 织 形 式 存 在,而片层状 α相 集 束 的 不 同 取 向 会 阻 碍 裂 纹 扩 展,裂纹穿越集束边界时改变方向,形成裂纹分叉 并萌生二次裂纹,这些过程均需消耗更多的能量。 片层α相集 束 由 于 具 有 较 强 的 方 向 性,其 断 裂 过 程也存 在 较 强 的 方 向 性[15]。在 较 低 温 度 下 锻 造 时,TA15钛 合 金 的 显 微 组 织 中 存 在 大 量 球 状 αp 相,当裂纹穿过球状 αp 相时无需改变裂纹扩展方 向,扩展路 径 不 分 叉,无 需 消 耗 更 多 能 量,因 此 抗 拉强度极差较小[16]。

2.3 对拉伸断口形貌的影响

TA15钛合金在(α+β)相区锻造并沿流线方向 拉伸后的试样宏观上呈杯锥状形态,断口上存在纤 维区、放射区和剪切唇3个区域,如图5(a)所示,试 样有明显颈缩现象,表明为韧性断裂。由图5(b)~ (d)可知:在tβ-50 ℃下锻造后,TA15钛合金沿流 线方向拉伸后的断口纤维区存在大量较深的等轴状 韧窝,表明其在断裂过程中吸收能量较高;而在tβ30 ℃和tβ-15 ℃下锻造后,拉伸断口纤维区虽仍 以韧窝为主,但韧窝较浅。结合显微组织分析可知, 含有大量球状初生αp 相的锻件韧窝较深,而含有较 多较细长片层状α相的锻件韧窝较浅。 图5 不同温度锻造后 TA15钛合金沿流线方向拉伸断口形貌 Fig 5 TensilefacturemorphologyalongstreamlinedirectionofTA15titaniumalloyforgedatvarioustemperatures a overallmorphologyand b-d fibrouszonemorphology 拉伸断裂过程是裂纹形核和长大的过程。钛合 金的α/β相界面是潜在的裂纹形核源。较多初生αp 相的存在减少了裂纹形核源,在塑性变形过程中优 先出现屈服现象,在位错扩展过程中裂纹扩展的有 效距离增加,形成较深韧窝[17]。片层状组织为裂纹 形核提供大量形核位置,对应力集中起分散效应,且 片层状α相中位错扩展的有效滑移距离较短[18],因 此在含有较多较细长片层状α相的组织中,形成较 浅的韧窝。

3结论

(1)经(α+β)相区锻造后,随着锻造温度降低, TA15钛合金中球状初生αp 相含量增加,片层状次 生α相含量减少,厚度减小,合金强度增大,在tβ50 ℃ 下 锻 造 后,沿 流 线 方 向 的 抗 拉 强 度 达 973 MPa。 (2)随着锻造温度降低,TA15 钛合金流线方 向、宽度方向和厚度方向的抗拉强度极差减小。 (3)TA15钛合金在(α+β)相区锻造后的室温 拉伸断口均为韧性断口,随着锻造温度降低,拉伸断 口纤维区韧窝变深。

来源：材料与测试网