不同熱處理溫度對TA15鈦合金組織和力學性能的影響

（寶雞鈦業股份有限公司，陜西 寶雞 721000）

TA15鈦合金屬于中強度鈦合金，是一種通用型高Al當量近α型鈦合金，其名義成分為Ti-6AL-2Zr-1Mo-1V。其具有較高的比強度、抗蠕變性、耐腐蝕及良好的焊接性能，被廣泛應用于航空領域[1，2]。TA15鈦合金通常是在退火狀態下使用，合金的相組成是以α相為機體，含有少量β相，其主要強化機制是α穩定元素Al的固溶強化[3]，通常認為不能通過熱處理進行強化，但是在退火態合金中的β相含量與TC4中β相的含量比較接近，也有文獻介紹通過熱處理可以提高該合金的室溫強度[4]，可見TA15鈦合金還是存在熱處理強化的可能性。本文主要是對TA15鈦合金大規格棒材在750℃～980℃內退火，對其室溫拉伸性能，沖擊性能及顯微組織的影響規律。

1 實驗材料和方法

本文實驗所用材料為寶雞鈦業股份熔煉的TA15鈦合金鑄錠(3次VAR熔煉)，其主要化學成分：Al：6.7%～6.9%，Mo：1.8%～1.9%，Zr：2.2%～2.4%，V：2.2%～2.3%，O：0.10%～0.11%，其余為Ti。經β相區開坯鍛造，α+β相區多火次鍛造成規格為Φ300mm棒材。棒材鍛態組織如圖1所示。在該棒材上截取樣段進行不同退火溫度的熱處理試驗，其方案如表1所示。熱處理后，按照國標測試其室溫拉伸性能及沖擊吸收功，為研究不同退火溫度對其顯微組織的影響，采用Axiovert 200MAT光學顯微鏡觀察了TA15鈦合金在不同溫度下退火的組織形貌及初生α含量。

圖1 TA15鈦合金鍛態組織

2 結果與分析

2.1 不同退火溫度對TA15鈦合金顯微組織影響

由圖2可以看出，該合金在相變點以下較低溫度熱處理得到等軸組織,主要由初生等軸α相和轉變β相組成（如圖2(a)、(b)），750℃，800℃熱處理組織同鍛態組織相比無明顯區別。TA15鈦合金的再結晶開始溫度為800℃左右，終了溫度為950℃左右[5]，因此圖中(a)(b)顯微組織同鍛態組織類似，主要發生回復過程。在800℃以上熱處理，TA15合金不僅會發生α相和β相的再結晶，還會發生亞穩β相的分解及次生α相的析出（如圖(g)）,在850℃下退火，顯微組織中有明顯的針狀次生α相析出，且對比圖(c)～(g)，其初生等軸α相等軸化程度提高，初生α相含量略有降低，次生α相增多。

該合金在相變點以下較高溫度范圍內熱處理后，得到的組織為雙態組織，由初生等軸α相+次生α相+殘余β相組成。由圖2可以看出，從退火溫度由850℃升高到940℃，初生α含量驟降，由55%降為30%。次生α相大量增加，且次生α長大并粗化。退火溫度由940℃升高到970℃，其初生α相由30%降為3%，針狀次生α相粗化、長大、變得平直，形成較厚的α片層。當退火溫度為980℃時，初生等軸α相全部溶解，由條狀α相+β轉變組織構成，存在斷續的α晶界。

2.2 不同退火溫度對TA15鈦合金力學性能的影響

2.2.1 退火溫度對室溫拉伸性能的影響

由圖3(a)可以看出，在相變點以下較低溫度750℃～850℃范圍內退火，隨著退火溫度的升高，抗拉強度及屈服強度均呈現先升高后降低的趨勢，均是在840℃時達到峰值，抗拉強度達到1065MPa，屈服強度達到952MPa，由840℃升高到850℃時，抗拉強度及屈服強度均有所降低。750℃和800℃下的強度差異大不，是由于該溫度下合金主要發生了回復過程。隨著退火溫度繼續升高，強度明顯提高。在850℃～960℃溫度范圍內退火，隨著退火溫度升高，抗拉強度和屈服強度均略有提高，在970℃到980℃時，強度發生驟降。這與其顯微組織形態密不可分。在800℃～950℃退火時，合金同時發生再結晶軟化和次生α相的強化作用，因而合金的性能取決于這兩種因素在何時起主要作用。在800-850℃范圍內，次生α相起主導作用，因而在840℃達到峰值。在940℃～970℃之間，其組織均為雙態組織，析出的次生α相不再是少量而是大量的析出，且明顯長大并粗化，對合金的強化作用減弱，再結晶軟化作用起主導地位，因此，合金的強度隨著溫度的升高略有降低。

圖2 不同退火溫度下的TA15鈦合金顯微組織

由圖3(b)可以看出，在相變點以下較低溫度750℃～850℃范圍內退火，隨著退火溫度的升高，其斷后伸長率和斷面收縮率變化不大，和強度呈相反規律。但是在相變點以下較高溫度940℃～960℃時，其塑性增加較為明顯。在940℃時，退火溫度已基本接近TA15鈦合金的再結晶終了溫度，提高退火溫度，原子的熱運動更加劇烈，從而使合金內部的位錯堆積等缺陷迅速消失，變形畸變能得以迅速釋放，合金內部變形缺陷完全消除，所以合金強度下降，塑性又進一步得到提高。由960℃升高到980℃，其塑性驟降。這是次生α相和初生α相綜合作用的結果。

圖3 不同退火溫度下的TA15鈦合金室溫拉伸性能

2.2.2 退火溫度對沖擊性能的影響

由圖4可以看出，在相變點以下較低溫度750℃～850℃內退火，除750℃和850℃兩個點沖擊偏低，其余溫度下沖擊性能變化不明顯。但是退火溫度升高到相變點以下較高溫度940℃時，沖擊性能明顯提升，這是因為隨著退火溫度的升高，初生α相逐漸減少，次生α相增多且由針狀長成條狀。隨著退火溫度繼續升高，950℃～970℃，次生α相逐漸由長條狀長成短棒狀或圓形，從而導致沖擊性能有所降低。但是在相變點以下較高溫度退火，940℃～970℃下退火沖擊功的平均值比在750℃～850℃下退火提高了36%，符合雙態組織的沖擊性能高于等軸組織。

圖4 不同退火溫度下的TA15鈦合金沖擊性能

3 結論

（1）TA15鈦合金在相變點以下較低溫度退火得到等軸組織，在較高溫度退火得到雙態組織。

（2）在750℃～850℃范圍內退火，隨著退火溫度的升高，強度呈現先升高后降低的趨勢，在840℃達到峰值；其斷后伸長率和斷面收縮率變化不大，和強度呈相反規律。

（3）相變點以下高溫區（940℃～970℃）退火的強度略低于低溫區（750℃～850℃），而沖擊韌性遠高于高溫區，即雙態組織的沖擊韌性高于等軸組織。

（4）在750℃～980℃范圍內退火，隨著退火溫度的升高，再結晶過程更為充分，初生α含量逐漸減少，次生α相逐漸析出，長大并粗化。