飛機(jī)結(jié)構(gòu)和發(fā)動機(jī)用TA15鈦合金中板組織與力學(xué)性能研究

TA15（Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr）鈦合金屬于高Al當(dāng)量的近α型鈦合金，其既有α型鈦合金良好的熱強(qiáng)性和可焊性，又有接近于α-β型鈦合金的工藝塑性，長時間工作溫度可達(dá)500℃，在航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。TA15鈦合金半成品主要有板材、棒材、鍛件、型材、鑄件等，其中板材占有重要地位[4-6]。

隨著TA15鈦合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)和發(fā)動機(jī)上應(yīng)用的深入，對板材性能也提出了更為嚴(yán)苛的要求，關(guān)于TA15鈦合金板材的研究也在不斷豐富[7-10]。楊健等[7]研究了不同軋制工藝對TA15鈦合金薄板組織及力學(xué)性能的影響；劉瑞民等[8]研究了熱處理參數(shù)對TA15鈦合金薄板和厚板拉伸性能和顯微組織的影響；王蕊寧等[9]分析了不同火次軋制過程中TA15鈦合金板材的組織變化；郭志軍等[10]探討了變形參數(shù)對TA15鈦合金厚板顯微組織及力學(xué)性能的影響。但目前關(guān)于TA15鈦合金中板工業(yè)化生產(chǎn)中軋制工藝與組織性能關(guān)系的研究仍較為缺乏。

本研究采用3種不同軋制工藝制備TA15鈦合金中板，分析不同板材間組織和性能的差異，建立工藝–組織–性能之間的關(guān)系，以期為工業(yè)化生產(chǎn)TA15鈦合金中板工藝的制定與選擇提供參考。

1、實驗

實驗材料為采用真空自耗電弧爐經(jīng)3次熔煉制備的TA15鈦合金鑄錠，金相法測定相變點T_β為996℃。鑄錠開坯后，采用萬噸油壓機(jī)鍛造加工成240mm厚鍛坯，其主要化學(xué)成分見表1。

采用3種工藝在1200mm四輥可逆式熱軋機(jī)上軋制鍛坯，得到厚度為10.0mm的成品TA15鈦合金中板。

一火開坯加熱溫度為T_β–（20~50）℃，其他火次加熱溫度為T_β–（30~60）℃，各火次變形量為40%~70%。3種軋制工藝如下：工藝Ⅰ為一次換向+四火次軋制；工藝Ⅱ為二次換向+四火次軋制；工藝Ⅲ為一次換向+三火次大變形軋制。通過對比工藝Ⅰ與工藝Ⅱ，分析換向次數(shù)對TA15鈦合金中板顯微組織和力學(xué)性能的影響；通過對比工藝Ⅰ與工藝Ⅲ，分析變形量對TA15鈦合金中板顯微組織和力學(xué)性能的影響。

工藝Ⅰ、工藝Ⅱ和工藝Ⅲ軋制的TA15鈦合金中板經(jīng)840℃/1h/AC退火處理后，標(biāo)記為樣品A、樣品B和樣品C，分別切取橫、縱向試樣，進(jìn)行顯微組織觀察、室溫和高溫力學(xué)性能檢測。金相試樣經(jīng)腐蝕液（5%HF+12%HNO3+83%H2O，體積分?jǐn)?shù)）浸蝕5s后，按照GB/T5168—2008標(biāo)準(zhǔn)在AXIOVERT200MAT金相顯微鏡下進(jìn)行組織觀察。室溫和500℃高溫拉伸性能分別按照GB/T228—2002標(biāo)準(zhǔn)和GB/T228.2—2015標(biāo)準(zhǔn)在INSTRON5885電子萬能材料拉伸試驗機(jī)和TSE105D-Z高溫拉伸試驗機(jī)上測試，以3個平行試樣的平均值作為測試結(jié)果。高溫持久性能按照GB/T2039—2012標(biāo)準(zhǔn)在RD-50微控電子式蠕變持久試驗機(jī)上進(jìn)行，測試條件分別為：①在500℃/470MPa下持續(xù)70.5h；②在500℃/440MPa下持續(xù)121h。

2、結(jié)果與分析

2.1顯微組織

3種TA15鈦合金中板顯微組織如圖1所示。從圖1可以看出，3種TA15鈦合金中板顯微組織均為α+β兩相區(qū)加工組織，無連續(xù)平直的晶界α相，原始β晶界被充分破碎，符合GJB2505A—2008《航空用鈦及鈦合金板材和帶材規(guī)范》中對TA15鈦合金板材顯微組織的要求。

圖 13 種 TA15 鈦合金中板的顯微組織

Fig.1Microstructures of TA15 titanium alloy medium plates: (a) Sample A, transverse; (b) Sample B, transverse; (c) Sample C, transverse,(d) Sample A, longitudinal; (e) Sample B, longitudinal; (f) Sample C, longitudinal

相比之下，樣品B初生α等軸化程度較好，樣品A次之，樣品C出現(xiàn)大量拉長的初生α相?？梢?，增加換向次數(shù)有利于提高TA15鈦合金中板初生α相等軸化程度，而大變形軋制使得初生α相拉長程度加劇。采用Image-ProPlus6.0軟件對3種TA15鈦合金中板初生α相尺寸進(jìn)行測量統(tǒng)計，結(jié)果見表2。從表2可以看出，樣品B的初生α相最為細(xì)小，尺寸為6.7μm；樣品C次之，尺寸為7.9μm；而樣品A的初生α相最為粗大，尺寸為9.4μm。這表明增加換向次數(shù)或者采用大變形軋制均有助于細(xì)化組織，且前者效果更為顯著。

2.2室溫力學(xué)性能

3種TA15鈦合金中板的室溫拉伸性能如圖2所示。從圖2可以看出，3種TA15鈦合金中板橫向抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率均高于縱向，結(jié)果也均符合GJB2505A—2008標(biāo)準(zhǔn)中對TA15鈦合金板材抗拉強(qiáng)度（930~1130MPa）、屈服強(qiáng)度（≥855MPa）和延伸率（≥8%）的要求，且富余量較高。其中，樣品A和樣品B的橫縱向抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均相差不大，而樣品C的橫向抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較低，縱向抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯增加。3種TA15鈦合金中板的橫縱向延伸率差別不大。通過計算可知，樣品A、樣品B和樣品C的橫縱向抗拉強(qiáng)度的差值分別為53、72和7MPa，橫縱向屈服強(qiáng)度的差值分別為66、77和19MPa，可見樣品C的橫縱向強(qiáng)度差異最小。這表明換向次數(shù)對TA15鈦合金中板室溫拉伸性能影響不大，而大變形軋制可有效減小TA15鈦合金中板橫縱向室溫強(qiáng)度差異。

圖 2 3 種 TA15 鈦合金中板的室溫拉伸性能

Fig.2 Room temperature tensile properties of TA15 titanium alloy medium plates: (a) tensile strength; (b) yield strength; (c) elongation

研究[11-13]認(rèn)為，板材軋制后橫縱向力學(xué)性能差異是由于材料在不同方向上的滑移能力不同造成的，而不同方向上的滑移能力與軋制后的織構(gòu)密不可分。Gey等[14]對織構(gòu)類型及其形成機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)初生α相與β相保持Burger’s取向關(guān)系時，在熱軋變形后的冷卻過程中，β→α相變將優(yōu)先形成特定取向的α相，從而導(dǎo)致局部變形織構(gòu)被保留；而當(dāng)大變形充分破壞了初生α相與β相之間的Burger’s取向關(guān)系時，將減少織構(gòu)的形成。因此，相對于樣品A和樣品B，采用大變形軋制的樣品C變形更為充分，其織構(gòu)強(qiáng)度弱，故而橫縱向力學(xué)性能差異較小。

2.3高溫力學(xué)性能

2.3.1高溫拉伸性能

3種TA15鈦合金中板在500℃高溫下的抗拉強(qiáng)度如圖3所示。從圖3可以看出，3種TA15鈦合金中板的高溫抗拉強(qiáng)度均符合GJB2505A—2008要求（500℃高溫抗拉強(qiáng)度≥635MPa），且富余量較高。與室溫抗拉強(qiáng)度變化一致，樣品A在500℃的高溫橫縱向抗拉強(qiáng)度與樣品B相差不大，且2種板材橫縱向抗拉強(qiáng)度差值均為66MPa。而與樣品A和樣品B相比，樣品C橫向高溫抗拉強(qiáng)度降低，縱向增大，其橫縱向抗拉強(qiáng)度差異明顯較小，僅為6MPa。該結(jié)果同樣表明，換向次數(shù)對TA15鈦合金中板高溫拉伸性能的影響不大，而大變形軋制有利于橫縱向高溫抗拉強(qiáng)度差異的減小。

圖 3 TA15 鈦合金中板的 500 ℃高溫抗拉強(qiáng)度

Fig.3High temperature tensile strength at 500 ℃ of TA15 titanium alloy medium plates

2.3.2高溫持久性能

在500℃/470MPa條件下，3種TA15鈦合金中板的持久性能檢測結(jié)果顯示，橫縱向試樣均可保持70.5h未發(fā)生斷裂，表現(xiàn)良好。

在500℃/440MPa條件下，3種TA15鈦合金中板的持久性能見表3。從表3可以看出，樣品A和樣品B均有1個縱向試樣提前斷裂，其余2個縱向試樣和3個橫向試樣保持121h未發(fā)生斷裂；樣品C橫縱試樣均保持121h未發(fā)生斷裂。由此可見，采用一次換向+三火次大變形軋制的樣品C持久性能最佳。

3、結(jié)論

(1)分別采用一次換向+四火次軋制、二次換向+四火次軋制和一次換向+三火次大變形軋制工藝制備出10.0mm厚TA15鈦合金中板，其組織均為α+β兩相區(qū)加工組織。采用二次換向+四火次軋制的樣品B初生α相最為細(xì)小，等軸化程度最高，而采用一次換向+三火次大變形軋制的樣品C初生α相大小次之，但其拉長程度最為顯著。

(2)3種TA15鈦合金中板橫縱向室溫拉伸性能和500℃高溫拉伸性能均符合GJB2505A—2008標(biāo)準(zhǔn)中對TA15鈦合金板材的要求。采用一次換向+三火次大變形軋制的樣品C室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及500℃高溫抗拉強(qiáng)度橫縱向差異最小。

(3)3種TA15鈦合金中板在500℃/470MPa條件下的持久性能均表現(xiàn)良好，而在500℃/440MPa條件下采用一次換向+三火次大變形軋制的樣品C持久性能最佳。

(4)工業(yè)化生產(chǎn)中要獲得初生α相細(xì)小、等軸化程度高的TA15鈦合金中板時，可優(yōu)先選用二次換向+四火次軋制工藝；而需要獲得力學(xué)性能橫縱向差異較小、持久性能更為穩(wěn)定可靠的TA15鈦合金中板時，可優(yōu)先選用一次換向+三火次大變形軋制工藝。

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