合金成分對(duì)TA15鈦合金組織及力學(xué)性能的影響

袁媛

摘? 要：在過去的數(shù)年中，TA15鈦合金被用于大量的武器領(lǐng)域。在這種情況下經(jīng)常發(fā)生高的沖擊載荷的結(jié)構(gòu)件，從而對(duì)材料的高強(qiáng)輕質(zhì)、低成本、腐蝕、抗沖擊強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)性能提出了更高的要求。TA15鈦合金目前用于高沖擊強(qiáng)度的TC4鈦合金比具有更高的工作溫度、更低的密度、更強(qiáng)的強(qiáng)度和更大的成形靈活性以及更高的動(dòng)態(tài)性能。這會(huì)使得結(jié)構(gòu)性效率和作戰(zhàn)能力更強(qiáng)。在準(zhǔn)靜態(tài)或動(dòng)態(tài)環(huán)境中，它具有應(yīng)變率。隨著屈服強(qiáng)度的增加，鈦合金的屈服強(qiáng)度大大提高。動(dòng)態(tài)環(huán)境下，TA15鈦合金的屈服強(qiáng)度可達(dá)靜態(tài)鈦合金的1.65倍。其動(dòng)態(tài)性能是評(píng)價(jià)使用性能的重要指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：TA15鈦合金;合金成分;力學(xué)性能

TA15合金是一種性能良好的綜合性鈦合金。合金可用于制造棒、鍛、板和型材，廣泛用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)身結(jié)構(gòu)。為提高國(guó)產(chǎn)鈦合金的比重，提高國(guó)產(chǎn)戰(zhàn)斗機(jī)的綜合效能，滿足國(guó)家航空等有關(guān)行業(yè)的需要，對(duì)熔煉進(jìn)行了研究，并得到滿足。為生產(chǎn)合格TAl5鈦合金創(chuàng)造了條件。

一、實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料由四個(gè)不同的成分組成，用三次真空自耗電弧ф200 mmTA15鈦合金。測(cè)量的合成元件見表1。相位位移為1010～1020℃，四種合金的相位位移為950℃×2 h/AC。通常進(jìn)行退火熱處理，其中一些在冷卻過程中是α相在β相析出，得到的微組織主要是等軸測(cè)初生α相對(duì)于軸組織具有一定數(shù)量的β轉(zhuǎn)變組織。如圖1所示。采用相位分析軟件對(duì)相位程序和Leica與FEI電鏡的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了研究。利用不同視場(chǎng)下葉片的平均值α相寬表征二次生α相寬，在體積分?jǐn)?shù)α中，相含量表征原生質(zhì)。在普通電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上測(cè)量了室溫下的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能。基于樣品位于輸入桿和輸出桿之間的事實(shí)，在（2700±100）、（3000±100）s-1和臨界應(yīng)變率下，在?14.5mm霍普金森壓力桿上進(jìn)行測(cè)量。?4mm×圓柱形試樣的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能4mm在彈性桿的作用下，彈性桿捕捉?jīng)_擊波，沖擊波最終由彈性桿進(jìn)入。用粘在輸入和輸出桿上的應(yīng)變計(jì)捕捉反射波和透射波。利用超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和瞬態(tài)波形存儲(chǔ)器，可以得到一定應(yīng)變率下試樣的拉伸時(shí)間曲線，將繼續(xù)處理產(chǎn)生的應(yīng)變率下的實(shí)際應(yīng)力和應(yīng)變曲線。材料的動(dòng)態(tài)性能通過材料的均勻塑性變形、平均流動(dòng)應(yīng)力和沖擊吸收進(jìn)行衡量力學(xué)性能。

二、結(jié)果與分析

1.成分微小變化對(duì)合金顯微結(jié)構(gòu)的微觀效應(yīng)。三個(gè)統(tǒng)計(jì)值的平均值由金相分析軟件確定。為初生α相含量為67.82、69.63、76.44、61.41%記錄是從五個(gè)不同角度計(jì)算的。片狀α相平均寬度為0.683、0.695、0.803、0.585μm，當(dāng)元素Zr大于1和合金2#時(shí)，初生α量減少，次生α相片寬度減小。與2和3#合金相比，元素含量上升Mo在增加。含量減少的是初生α相，次生α相片寬度減小;與合金2和4#相比，隨著Al、V初生α相含量的降低，α次生相的寬度一般較細(xì)，由3#合金形成元素含量α相變最多、區(qū)體β最少積分?jǐn)?shù)和次生α相片寬度最寬;主要元素合金的4#初生相含量高，轉(zhuǎn)變速率最低。區(qū)體β分?jǐn)?shù)最多數(shù)和最細(xì)寬度次生α相片。

2.合金的微小變化影響室溫靜態(tài)拉伸性能，每組拉伸的特點(diǎn)是兩個(gè)樣品的平均值，Zr值的變更對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響較低，與Zr含量和其他元素相比，Zr值對(duì)1和2#合金的影響較小，而Zr值對(duì)1#合金o合金越少越容易成型。2和3#合金與不同鉬含量相比，鉬含量2#合金較高具有強(qiáng)度較高和塑性較低。2和4#合金與不同釩含量相比，高釩合金具有強(qiáng)度較高和塑性較低。相比與合金3和4#，4#合金具有更高的強(qiáng)度和更低的塑性。鋁、鉬、釩含量越高，抗拉強(qiáng)度越高，塑性越小。2/＼Zr金屬濃度較低，但雜質(zhì)含量o在合金范圍內(nèi)略高，隨著元素含量的增加，o被認(rèn)為是強(qiáng)α，合金的室溫拉伸有利于提高強(qiáng)度，降低合金的塑性。這兩種元素的共同作用使合金的折疊強(qiáng)度略高，塑性略弱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與鋁鉬等效電阻的經(jīng)驗(yàn)公式（考慮氧的差異）一致。一般來(lái)說，Zr含量對(duì)室溫拉伸強(qiáng)度沒有影響，隨著Al、Mo和V含量合金的強(qiáng)度也在增加，但塑性變化相反。

3.合金元素、也就是微觀組織和這些機(jī)械特性之間的關(guān)系。對(duì)不同成分的鈦合金的成分、組織參數(shù)、準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比分析。高合金鋼具有高強(qiáng)度、低塑性和優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能。由于原子是α相中的置換方式，Al是α穩(wěn)定元素可以提高合金的強(qiáng)度。隨著Al、V和Mo含量的增加，α相含量降低，增加β區(qū)體積分?jǐn)?shù)。β區(qū)體積分?jǐn)?shù)寬度變薄，合金強(qiáng)度增加，塑性相反。當(dāng)輕層寬度比增大、相界增大、位錯(cuò)滑移阻力增大時(shí)，層狀β轉(zhuǎn)變調(diào)整組織裂紋擴(kuò)展有利于。易塞積位錯(cuò)容，應(yīng)力集中形成，不利于變形，提高強(qiáng)度，降低塑性。但隨著基本元素含量的增加，合金的臨界變形速率增加，動(dòng)態(tài)流變平均應(yīng)力、動(dòng)態(tài)塑性均勻變形和沖擊吸收能增加，動(dòng)態(tài)性能改善。對(duì)于TA15鈦合金等軸組織，降低α相含量和有利于次生α相片層寬度室溫拉伸強(qiáng)度、臨界伸長(zhǎng)率和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能得到了改善

Zr含量對(duì)室溫拉伸強(qiáng)度沒有影響，主合金中Al、V和Mo增加含量，α相的含量減少，部分減少，寬度較細(xì)次生α相片層，強(qiáng)度增加，塑性降低。與其他α相含量合金元素相比，增加Zr含量對(duì)初生生長(zhǎng)水平增加，相含量對(duì)次生α相片層層寬度、室溫拉伸強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能影響不大。在臨界轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，微小變化合金成分對(duì)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能影響不大。Al、Zr、V和Mo含量的增加有利于提高合金的臨界伸長(zhǎng)率，并具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

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