氧含量對ZTA15鈦合金顯微組織和性能的影響*

賈志偉，馮芝華，紀志軍，南 海，張紀春，邵 杰

(1.北京航空材料研究院有限公司，北京 100095；2.中國航發北京航空材料研究院，北京 100095；3.北京市先進鈦合金精密成型工程技術研究中心，北京 100095；4.中國航空制造技術研究院，北京 100024)

ZTA15鈦合金仿制于俄羅斯BT20鈦合金，其名義成分為Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V，屬于高Al當量近α型鈦合金，具有良好的鑄造工藝性能、焊接性能和綜合力學性能。ZTA15鈦合金的室溫力學性能與ZTC4合金相當，在350～500 ℃時，合金強度明顯高于ZTC4鈦合金。隨著鑄造技術水平的提高、熱等靜壓(HIP)和特種熱處理工藝的應用，ZTA15鈦合金鑄件的質量和性能已接近其變形件的水平，已經廣泛應用于飛機、導彈、運載火箭和衛星等室溫、高溫承力構件[1]。目前應用范圍最廣、應用量最大的鈦合金是ZTC4鈦合金，在我國研制和生產的鈦合金鑄件中，ZTC4和ZTA15鈦合金用量占80%[2]。

目前，對于鑄造鈦合金的研究多集中在ZTC4鈦合金，通常通過調整熱處理制度[3-5](如熱等靜壓、退火、固溶時效等工藝)、調整雜質元素含量[6-10](如N、O、H、Fe等)、添加稀土元素[11](如Ce、Y等)或者其他元素[12-13](如Cr、B)等手段來改善合金的顯微組織，從而滿足或者提高鈦合金某些特殊的性能要求，而對ZTA15鈦合金在調控成分對組織與性能影響方面的研究并不多。氧元素在ZTA15鈦合金中的研究報道更是少見。本文研究在ZTA15鈦合金中通過微調氧含量，重點研究氧含量對ZTA15鈦合金顯微組織與力學性能的影響，希望為該類合金的性能調控提供一定的參考依據。

1 試驗材料及方法

選用I級海綿鈦，按照表1的名義化學成分進行配比，其中保持Al、V、Zr、Mo主元素含量不變，Fe、Si、C、N、H雜質元素由海綿鈦自身生成，O含量分別為0.10%和0.12%，經混料、壓制電極、真空自耗熔煉，制得2種不同成分的φ120 mm一次鑄錠。采用10 kg真空自耗凝殼爐和相同的澆注工藝參數，將鑄錠熔煉澆注進熔模精鑄型殼中，采用靜止澆注成形試棒，試棒規格為φ15 mm圓棒。試棒經熱等靜壓處理，工藝參數為：保壓溫度(920±20) ℃，氬氣壓力110～140 MPa，保溫時間2.0～2.5 h，隨爐冷卻至300 ℃以下后出爐空冷。試棒化學成分檢測結果見表2。

表1 2種ZTA15鈦合金的名義化學成分(質量分數) (%)

表2 2種ZAT15鈦合金的化學成分(質量分數) (%)

試棒加工成標準試樣后，按照GB/T 228.1—2010、GB/T 4338—2006和GB/T 229—2007標準分別進行室溫、200 ℃、350 ℃、400 ℃、500 ℃力學性能拉伸和沖擊測試。試樣進行切割、打磨、拋光、腐蝕后，在光學顯微鏡下觀察鑄態組織和熱等靜壓態組織(HIP組織)。

2 結果與分析

2.1 氧含量對ZTA15鈦合金鑄態組織和HIP組織的影響

ZTA15-0.10O和ZTA15-0.12O兩種ZTA15鈦合金的鑄態-晶界組織為典型的魏氏組織(分別見圖1a和圖1c)，在原始β晶界上分布著連續的α相(晶界)，晶內為魏氏組織(α+β)，這些厚片狀α相及其相間的β相薄層形成一個個集束，在同一集束內，α片彼此平行，具有同一取向。由于魏氏組織中α相和β之間保持嚴格的晶體學位相關系，從而其組織具有頑強的“遺傳性”[14]。ZTA15-0.10O和ZTA15-0.12O兩種合金的鑄態-晶內組織(分別見圖1b和圖1d)。隨著氧含量的增加，α集束的長度變短，α集束的寬度變窄。這是因為ZTA15鈦合金屬于近α型鈦合金，氧元素作為α穩定元素，能夠擴大鈦合金中α相區，增大α相穩定性，提高α+β/β轉變溫度。隨著氧含量的增加，合金相變點(α+β/β轉變溫度)升高，α相增多。

a) ZTA15-0.10O晶界組織

c) ZTA15-0.12O晶界組織

經熱等靜壓處理后，ZTA15-0.10O和ZTA15-0.12O兩種ZTA15鈦合金的HIP組織如圖2所示。由于HIP溫度(920±20) ℃低于β相變轉變溫度(1 000±20) ℃，因此，HIP組織主要“遺傳”于鑄態組織，但與鑄態組織有所不同。

經熱等靜壓處理后的ZTA15鈦合金消除了不均勻組織，在高溫處理下晶界α相弱化并保留，α集束的長度比鑄態的變短且集束寬度變窄。ZTA15-0.12O合金晶內組織中的α集束長度比ZTA-0.10O合金的更短，且α集束的寬度變窄。

2.2 氧含量對ZTA15鈦合金力學性能的影響

2種ZTA15鈦合金經熱等靜壓處理后，室溫和高溫500 ℃力學性能見表3。

a) ZTA15-0.10O晶界組織

c) ZTA15-0.12O晶界組織

表3 ZAT15鈦合金室溫和高溫500 ℃力學性能

從表3可以看出：隨著氧含量的增加，ZTA15鈦合金的室溫抗拉強度和屈服強度明顯升高，合金的伸長率和斷面收縮率明顯下降。ZTA15鈦合金中氧含量從0.10%增加到0.12%后，合金的室溫抗拉強度平均提高了27 MPa，屈服強度平均提高了25 MPa，室溫伸長率平均降低了3%，斷面收縮率平均降低了12%。同樣的研究表明[15]，氧含量在0.05%～0.15%之間時，BT20鈦合金的抗拉強度增幅較大，每提高0.05%就使其強度提高約40 MPa。張捷頻將氧含量從0.09%增加到0.12%～0.13%后，TA15鈦合金室溫拉伸強度提高了約40 MPa。劉志成等[16]將氧含量從0.13%提高至0.165%后，TC4鈦合金室溫抗拉強度平均提高了約45 MPa，屈服強度平均提高了約60 MPa。這是因為，氧在鈦合金中的溶解度較高，形成間隙固溶體，使金屬晶體產生晶格畸變，對在滑移面上運動著的位錯有阻礙作用，從而使合金強度提高了，塑性降低了。

除此之外，隨著氧含量的增加，ZTA15鈦合金的室溫沖擊韌性明顯降低。ZTA15鈦合金中氧含量增加0.02%后，室溫沖擊韌性平均降低了19 J/cm2。金屬材料的沖擊韌性一般情況下與材料本身的塑性成正比對應關系，合金中間間隙元素含量增加，高價能下降，材料的韌脆轉變溫度升高。間隙元素(氧原子)溶入合金基體后，因與位錯有交互作用而偏聚于位錯線附近形成柯氏氣團，致使合金的脆性增加，塑性降低[17]。沈睿用XRD對Ti-35Nb-3.7Zr-1.3Mo合金固溶組織進行分析并計算合金晶格常數，發現隨氧含量的增加，固溶態合金的晶格常數明顯增大，證明了間隙氧原子的不斷融入加劇了晶格畸變，使鈦合金強度隨氧含量的增大而急劇增加。

隨著氧含量的增加，ZTA15鈦合金500 ℃高溫抗拉強度提高了約40 MPa，伸長率下降了約4%，斷面收縮率下降了約20%，沖擊韌性下降比例高約50%。ZTA15鈦合金中氧含量的增加導致高溫強度上升、塑性下降的現象，同樣是因為氧原子增加了金屬晶體晶格畸變程度，內部增加的應變應力和位錯運動的阻力，提高了合金宏觀高溫屈服強度和斷裂強度，而在高溫下間隙元素氧含量增多，導致高溫塑性和沖擊韌性下降幅度大。

2.3 2種ZTA15鈦合金在不同溫度段的性能表現

2種ZTA15鈦合金經熱等靜壓處理后在室溫、200 ℃、350 ℃、400 ℃、500 ℃等5個不同溫度段的拉伸性能和沖擊韌性如圖3所示。圖3中力學性能數據均為3個數據的平均值。

a) 抗拉強度

b) 屈服強度

c) 伸長率

d) 斷面收縮率

e) 沖擊韌性

2種ZTA15鈦合金的拉伸強度隨著溫度的提高而下降，而塑性和沖擊韌性在不同溫度下的表現各不相同。當合金溫度由室溫提高至200 ℃時，2種鈦合金的伸長率和斷面收縮率開始升高；當溫度升高至350 ℃時，伸長率均表現為下降趨勢；當溫度達到500 ℃時，伸長率和斷面收縮率急劇下降，與室溫相當。ZTA15-0.10O鈦合金的沖擊韌性隨著溫度的提高而變大，高溫500 ℃沖擊值接近室溫狀態下的2倍；而ZTA15-0.12O鈦合金的沖擊韌性變化不大，高溫沖擊值略微高于室溫。針對2種鈦合金在高溫350 ℃時塑性下降的現象，主要原因為350 ℃高溫下間隙元素氧含量開始增多，固溶強化起主要作用。綜合對比2種ZTA15鈦合金的室溫和高溫性能，ZTA15-0.10O合金在保持室溫和高溫較高強度的同時，仍具有較好的塑性和沖擊韌性表現。

3 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)ZTA15鈦合金鑄態和熱等靜壓態組織表現為典型的魏氏組織，隨著氧含量的提高，合金中α集束的長度變短且寬度變窄，合金組織得到明顯細化。

2)隨著氧含量的提高，ZTA15鈦合金的抗拉強度升高而塑性及沖擊韌性變差。當合金中氧含量由0.10%上升至0.12%時，室溫抗拉強度提高約27 MPa，伸長率降低約3%，沖擊韌性降低約19 J/cm2；高溫500 ℃抗拉強度提高約40 MPa，伸長率降低約4.5%，而沖擊韌性由約90 J/cm2下降至43 J/cm2。

3)在保持ZTA15鈦合金主元素和其他雜質元素含量不變的前提下，選用0.10%的氧含量，可獲得良好的室溫和高溫綜合力學性能。