面向航空500℃承力部件的TA15鈦合金板材雙工藝生產(chǎn)的軋制工序-組織形態(tài)-力學(xué)性能關(guān)聯(lián)研究——解析一火至冷軋各工序組織演變規(guī)律，驗(yàn)證淬火工藝成品板強(qiáng)韌性匹配更優(yōu)且500℃伸長率超20%，解決開坯軋制表面裂紋難題

TA15合金是高鋁含量的近α型鈦合金(Ti-6A1-2Zr-1Mo-1V)，同時(shí)又含有β穩(wěn)定元素Mo和V，所以兼具α型與α+β型鈦合金的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的綜合力學(xué)性能，如高強(qiáng)度、高韌性、良好的焊接性能、高溫性能與優(yōu)異的工藝性能等［1-2］，可用于制造500℃以下長時(shí)間工作的航空航天部件和焊接承力零部件，如飛機(jī)隔框、壁板等，有廣闊的應(yīng)用前景且市場需求很大，由于航空合金板材對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量及性能要求嚴(yán)格，生產(chǎn)技術(shù)難度大。

許多科技工作者研究了TA15合金的熱處理和變形行為，TA15合金的組織依賴于合金成分、變形量、變形速率、熱變形過程和熱處理等，而且冷卻速率會(huì)影響合金的α/β相組成和比例［3-4］。由于具有高鋁當(dāng)量和較高的強(qiáng)度，TA15合金的加工過程有較大難度。本研究使用了兩種工藝路線生產(chǎn)TA15合金板材，研究了不同厚度鈦板的性能和組織演變。

1、試驗(yàn)材料與方法

本研究將0級(jí)海綿鈦與中間合金混料均勻后壓制電極，使用真空自耗電弧爐(VAＲ)進(jìn)行3次熔煉，制備的鑄錠成分為Ti-6.32Al-1.23Mo-1.47V-1.91Zr0.11O(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)。TA15合金鑄錠進(jìn)行4火次鍛造，其中相變點(diǎn)以上鍛造2火(兩鐓兩拔，鍛造比1.6)，相變點(diǎn)以下鍛造2火。采用金相法測試得到板坯β相變點(diǎn)為995～1000℃。使用OLYMPUSGX71金相顯微鏡和INSTＲON5982電子試驗(yàn)機(jī)分別測試板材的組織與性能。

2、試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1TA15合金板的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)

TA15合金鍛造后低倍組織為模糊晶，形成了雙態(tài)組織，由初生等軸α相+含片狀α相的轉(zhuǎn)變?chǔ)孪嘟M成，如圖1所示。TA15鈦合金板的生產(chǎn)工藝見表1。

為獲得較好的熱變形能力，一火軋制加熱溫度(990℃)接近β相區(qū)，軋程變形量較大有利于破碎內(nèi)部組織。隨后的熱軋?jiān)讦?β相區(qū)進(jìn)行，促進(jìn)形成更細(xì)小均勻的組織，從而獲得良好性能。

表 1 TA15 鈦合金板的生產(chǎn)工藝

TA15合金為中高強(qiáng)度鈦合金，塑性低于TC4合金，在一火開坯軋制時(shí)，表面容易產(chǎn)生嚴(yán)重裂紋，造成材料修磨損耗增加，使得料率降低、生產(chǎn)成本增加。在TA15合金板坯上復(fù)合1mm純鈦層，利用純鈦塑性變形能力強(qiáng)的特點(diǎn)隔離TA15合金與軋輥和周圍冷環(huán)境相互作用，可有效改善一火開坯軋制過程中裂紋缺陷，并有效抑制表面溫降，進(jìn)而減少表面裂紋、減少后續(xù)修磨量及材料損耗，達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。

圖2是一火軋制后TA15鈦合金板外觀和微觀組織。如圖2(a)所示，TA15合金板坯一火軋制后，包覆后的表面整體上裂紋很少，但側(cè)面和表面邊部有較多明顯的小裂紋，這是由于側(cè)面沒有包覆、軋制減薄展寬后生成裂紋并顯露在表面，后續(xù)通過打磨拋光可去除。熱軋產(chǎn)生了形變和部分再結(jié)晶，鈦板的微觀組織以片狀和初生α相為主，還有部分條狀和晶界α相及轉(zhuǎn)變?chǔ)孪?見圖2(b))。

軋制生產(chǎn)一火TA15鈦合金板后，實(shí)施淬火和不淬火兩種工藝，生產(chǎn)更薄的鈦板，兩種工藝制備的鈦板力學(xué)性能見表2和表3。

表 2 未淬火制備的 TA15 鈦合金板力學(xué)性能

表 3 淬火后制備的 TA15 鈦合金板力學(xué)性能

2.2未淬火制備TA15合金板的組織

對(duì)一火軋制的TA15合金板，換向后進(jìn)行二火軋制、隨后進(jìn)行三火軋制，其微觀組織見圖3。二火和三火軋制過程中雖然有動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生，但仍以明顯的變形組織為主，微觀形貌均為長條和初生等軸α相+含片狀α的轉(zhuǎn)變?chǔ)孪啵疖堉频睦鄯e變形量更大，初生α相更少、形變更明顯(見圖3)。

從表2可見，二火板和三火板的性能差異很小，相比一火鈦板，二火和三火鈦板屈服強(qiáng)度增加50～70MPa、抗拉強(qiáng)度增加130～150MPa，伸長率有所降低。750～850℃退火后，三火軋制鈦板均由等軸和長條α相+轉(zhuǎn)變?chǔ)孪嘟M成，如圖4所示。但隨著退火溫度升高，不僅發(fā)生了再結(jié)晶，相成分和比例也發(fā)生變化。退火溫度升高后，α晶粒逐漸長大，750℃退火后α晶粒較小，850℃退火后的晶粒更粗大一些，等軸α相含量增加而β相含量減少。等軸晶粒的增多使材料的延伸率提高［1］，塑性得到改善。

對(duì)三火軋制鈦板進(jìn)行750～850℃退火后(保溫1h)測試力學(xué)性能，結(jié)果見表4。由表4可知，750℃退火后鈦板強(qiáng)度最高，隨著退火溫度升高，鈦板強(qiáng)度降低。低溫下屈強(qiáng)比較高，而850℃退火后的屈強(qiáng)比最低。3個(gè)退火溫度下的伸長率差異較小。

表 4 三火軋制 TA15 鈦合金板經(jīng)不同溫度退火后的力學(xué)性能

疊軋是將兩塊或多塊鈦板疊在一起進(jìn)行熱軋(960℃加熱)，主要用于薄板的生產(chǎn)，可減少軋程、提高生產(chǎn)效率。三火TA15合金板疊軋后的組織(見圖5)包括拉長/等軸α相+晶間β相和轉(zhuǎn)變?chǔ)孪啵B軋過程中鈦板發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成了等軸晶粒。

TA15鈦合金疊軋板進(jìn)行850℃退火，然后冷軋為厚1.5mm的薄板，再成品退火(820℃)后的微觀組織如圖6所示，由等軸狀α相、晶間轉(zhuǎn)變?chǔ)孪嗪蜕倭康那驙瞀孪嘟M成，組織細(xì)小均勻，原始β晶粒破碎充分，無連續(xù)、平直晶界α相。

成品退火處理后1.5mm厚TA15合金板的伸長率明顯提高，強(qiáng)度比熱軋態(tài)有明顯降低，強(qiáng)韌性匹配較好(見表2)。

2.3淬火處理對(duì)TA15合金板組織的影響

將一火軋制后的TA15合金板固溶處理后進(jìn)行淬火，圖7是淬火處理后的截面組織和表面附近形貌。淬火后的TA15合金板組織為針狀馬氏體(見圖7(a))，由于高溫固溶處理，晶粒顯著粗化到300～500μm。鈦板表面有氧化層和污染層，平均深度約0.14mm，從截面組織可以看到鈦板表層有部分裂紋且為等軸細(xì)晶粒(見圖7(b))，這可能是由淬火應(yīng)變引起的。對(duì)比表2和表3可知，淬火后鈦板抗拉強(qiáng)度升高了33～60MPa，屈服強(qiáng)度降低了74～94MPa，淬火處理提高了抗拉強(qiáng)度，同時(shí)伸長率明顯降低，且固溶淬火消除了變形組織，發(fā)生了再結(jié)晶軟化，合金的屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比明顯降低。

將淬火后的鈦板打磨拋光去除表面污染層和缺陷層，然后進(jìn)行二火換向軋制，隨后進(jìn)行三火軋制，組織形貌見圖8。二火熱軋形成網(wǎng)籃組織，包括片狀α相+晶界α相+晶間轉(zhuǎn)變?chǔ)孪?見圖8(a))。繼續(xù)進(jìn)行三火熱軋，組織如圖8(b)所示，形成片層和長條狀α相+等軸α相+含α相的轉(zhuǎn)變?chǔ)孪嘟M織，片層狀組織減少，短棒狀和集束狀α相增多，有少量等軸α相形成，多次熱軋后組織明顯改善。

將三火熱軋的TA15合金板疊軋為2.5mm板材，微觀組織(見圖9(a))為等軸和拉長α相+晶間β相+含點(diǎn)狀α相的轉(zhuǎn)變?chǔ)孪唷／B軋后進(jìn)行850℃退火，等軸和短棒狀α相及轉(zhuǎn)變?chǔ)孪嘣龆啵妶D9(b)。

將疊軋后的TA15合金板繼續(xù)冷軋制備厚1.5mm和1.2mm板材，冷軋前對(duì)鈦板進(jìn)行退火處理(850℃退火)，冷軋后進(jìn)行成品退火(820℃)和酸洗處理。圖10是成品退火后1.5mm和1.2mm厚TA15鈦合金板的組織形貌，由等軸α相+晶間球狀β相組成，β相的球化效果較好，由于冷軋變形量更大，1.2mm厚板材的β相球化效果更好。

2.4分析和討論

TA15合金中元素含量高、強(qiáng)度較高而塑性較低，需要適宜的工藝參數(shù)匹配才能高效制備良好的產(chǎn)品。淬火與不淬火對(duì)成品板的性能和組織影響明顯，未淬火鈦板多次熱軋后對(duì)組織的破碎不充分，除了長條狀組織外，仍有一些初生等軸α相存在，經(jīng)過疊軋和冷軋生產(chǎn)的1.5mm厚TA15合金板成品，雖然組織已經(jīng)破碎和再結(jié)晶細(xì)化，但存在較多的不規(guī)則α相和轉(zhuǎn)變?chǔ)孪嗑Я＃虼藦?qiáng)度較高、塑性稍低。

β相區(qū)淬火處理主要是通過在β相變點(diǎn)以上10～40℃熱處理，然后再進(jìn)行水淬快速冷卻，得到粗大針狀馬氏體組織，在后續(xù)加工和熱處理過程中發(fā)生破碎、原子擴(kuò)散和再結(jié)晶等，能得到細(xì)小均勻的β相球化組織。TA15鈦合金板材淬火后形成基體為粗大晶粒的針狀組織，熱軋?jiān)斐傻男巫兒蛣?dòng)態(tài)再結(jié)晶使組織明顯細(xì)化，組織形態(tài)為片層/長條/等軸狀α相和轉(zhuǎn)變?chǔ)孪嘟M織，而經(jīng)過冷軋及成品退火后，組織形態(tài)以細(xì)小的等軸α相和球狀β相為主，β相球化效果好。粗大晶粒的TA15合金變形過程中應(yīng)適當(dāng)提高變形溫度、降低應(yīng)變速率，否則會(huì)造成變形局域化或微區(qū)缺陷［5］，不同的變形量和變形參數(shù)會(huì)影響淬火后鈦板的性能。

相應(yīng)地，淬火態(tài)鈦板的屈服強(qiáng)度明顯降低，隨后生產(chǎn)的板材比同樣條件下未淬火的板材強(qiáng)度更低些，冷軋后的成品鈦板強(qiáng)度稍低但塑性更好。比較而言，淬火后的鈦板在隨后的變形中組織充分破碎和再結(jié)晶，形成了大量細(xì)小球化β相，合金的塑性更好、強(qiáng)度稍低些，強(qiáng)韌性匹配良好。表5是兩種工藝制備的1.5mm厚TA15合金成品板(820℃退火后空冷)在500℃的高溫力學(xué)性能對(duì)比，淬火后制備的鈦板抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度稍低，伸長率更高。另外，在500℃進(jìn)行了470MPa/50h持久性能測試，兩種工藝制備的鈦板均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

表 5 TA15 鈦合金成品板的 500 ℃力學(xué)性能

3、結(jié)論

1)在α+β相區(qū)多次熱軋的TA15鈦合金板由長條變形和初生等軸α相+轉(zhuǎn)變?chǔ)孪嘟M成，冷軋并成品退火后1.5mm的薄板由等軸狀α相和轉(zhuǎn)變?chǔ)孪嘟M成(少量為球狀β相)，強(qiáng)度在1035MPa以上，伸長率在16.0%以上。

2)TA15合金一火軋制后淬火有利于制備強(qiáng)韌性匹配更好的薄板。TA15合金淬火后形成針狀馬氏體組織，隨后在α+β相區(qū)熱軋的板材產(chǎn)生顯著的組織細(xì)化和再結(jié)晶，冷軋并成品退火制備的1.5mm與1.2mm薄板組織由細(xì)小等軸α相和球化β相組成。相比未淬火，經(jīng)淬火處理的成品鈦板強(qiáng)度稍低、塑性更高，強(qiáng)韌性匹配更好。

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（注，原文標(biāo)題：不同工藝制備TA15合金板材的組織與性能）