熱處理對TA15合金板材組織性能的影響

TA15合金是前蘇聯研制的近α鈦合金，其名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，屬高鋁當量近α型合金，主要應用于飛機結構件及發動機上[1-2]，薄板用于航空發動機機匣，厚板用于大截面構件。該合金具有較高的室溫及高溫強度、良好的熱穩定性和焊接性能，可制成板材、棒材、鍛件等。目前，國產的TA15鈦合金板材性能與俄羅斯同類合金BT20相比性能穩定性較差。因此對該合金板材在不同熱處理溫度下組織性能的變化進行研究具有重要的意義。本文通過對TA15鈦合金板材進行不同溫度的熱處理，分析了750～850℃區間內熱處理溫度對TA15厚板和薄板組織、常溫性能、高溫性能的影響，可為不同厚度TA15板材的熱處理工藝選擇提供依據。

1、試驗材料與試驗方法

試驗用TA15合金板材成分為Al：6.7，Zr：2.0，Mo：1.7，V：2.2，余量為Ti。對厚度為45mm厚的中厚板采用750，800，850℃，1h進行退火，對2.5mm厚的薄板，采用750，800，850℃，40min進行退火，最后對上述退火后的厚板和薄板進行組織、性能測試。

2、試驗結果

厚度為45mm的TA15鈦板材在750，800，850℃，保溫1h的室溫拉伸性能如圖1所示，在750℃退火時抗拉強度最高，800℃最低，隨著退火溫度升高至850℃，抗拉強度又略有上升。此時板材的橫向延伸率與抗拉強度成反比，而縱向延伸率在退火溫度為800℃時達最低值15%。

厚度為45 mm的TA15板材在750，800，850 ℃，保溫1h的顯微組織見圖2。

由圖2可知，750℃退火時TA15板材組織不均勻，晶粒尺寸范圍為5~100μm，且存在長條狀初生α晶粒。

基于45mmTA15厚板750℃熱處理時再結晶發生不完全，對2.5mmTA15薄板采用800℃，830℃，850℃，保溫40min進行熱處理，對應的力學性能如圖3所示。可以看到隨變形量增加，2.5mm薄板強度明顯增加，比45mm厚板增強約200MPa，說明隨變形量增加晶粒破碎明顯，提高該合金強度。800℃熱處理時對應最高的強度，但塑性較低，830℃熱處理時強度略有下降，但塑性升高，這與退火溫度升高，回復與再結晶進行完全有關，而850℃時初生α相略有減少，次生α相在基質內析出的數量與長大達到最佳匹配，對應著強度與塑性的同時提高。而且隨熱處理溫度升高，橫縱向差異逐漸減小。

3、試驗分析

750℃退火時未發生完全再結晶，存在大量變形抗力，而800℃退火時因大部分晶粒發生動態再結晶，生成大量細小等軸α相，提高了合金的變形協調能力，因此強度降低，塑性上升。850℃退火時隨退火溫度升高，回復與再結晶發生的更加完全，亞穩定β相充分分解，整個基體中彌散分布著細小的次生α相，此時強化效果最好，但也因為伴隨著少量初生α相的減少與次生α相的析出，這在一定程度上會導致合金強度升高，塑性降低。對比橫縱向性能可以看出，隨退火溫度升高，橫縱向差異逐漸減小，這與應力消除，晶粒等軸化程度增強有關。對應的顯微組織如圖2所示，可以看到隨退火溫度升高，初生α相數量逐漸減少，次生α相晶粒長大明顯。說明該近α鈦合金對應的性能與初生α相與次生α相的數量、大小的匹配有緊密的聯系。

4、結論

TA15厚板與薄板在兩相區750℃～850℃進行熱處理，隨熱處理溫度升高，強度先降低后增加，塑性則逐漸增加，都在850℃熱處理達到強度與塑性的最佳匹配。這與初生α相與次生α相的數量、大小的匹配有緊密的聯系；而且隨退火溫度升高，橫縱向差異逐漸減小。

參考文獻

[1]王金友、葛志明、周彥邦.航空用鈦合金[M]上海：上海科學技術出版社，1985:68

[2]李興無、儲俊鵬、張慶鈴等.金屬學報[J]，1999，35（Sup-pl1）:S436