引言

TA15鈦合金屬于高Al當(dāng)量的近α型鈦合金，其名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V。該合金具有良好的焊接性能和工藝塑性，可用于生產(chǎn)厚板、薄板、型材、鍛件、模鍛件、棒材和線材等，在飛機(jī)發(fā)動機(jī)和飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中得到廣泛的應(yīng)用［1－3］。

TA15鈦合金通常是在普通退火狀態(tài)下使用，其主要強(qiáng)化機(jī)制是α穩(wěn)定元素Al的固溶強(qiáng)化，一般認(rèn)為不能通過熱處理對其進(jìn)行強(qiáng)化。然而，當(dāng)對該合金成分進(jìn)行調(diào)整，使β穩(wěn)定元素含量提高（β穩(wěn)定系數(shù)K_β＞0.3）而落入（α＋β）兩相合金范圍時(shí)，就存在通過熱處理強(qiáng)化TA15鈦合金的可能性。

本研究對K_β＞0.3的TA15鈦合金中厚板材在750～1010℃進(jìn)行了熱處理，分析了該區(qū)間內(nèi)熱處理對板材組織及室溫力學(xué)性能的影響規(guī)律，旨在為TA15鈦合金中厚板材的生產(chǎn)提供一定的有益參考。

1、實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用原材料為45mm厚的熱軋TA15鈦合金板材，金相法測得其相變點(diǎn)為990～995℃，其主合金成分見表1，β穩(wěn)定系數(shù)Kβ＝0.32。

1.2實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為箱式電阻爐（控溫精度：±3℃），熱處理制度為（750～1010）℃×1ｈ／AC，方案共分為9組，其中1～8組為普通退火，退火溫度依次為750、780、800、830、850、880、900、950℃；第9組為β退火，退火溫度為1010℃。

室溫性能測試采用φ5mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，試樣方向?yàn)榘宀臋M向，每組3個(gè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取其平均值。

拉伸性能測試設(shè)備為instron-1185拉伸試驗(yàn)機(jī)。顯微組織（板材橫截面）觀測在OlympusMPG3金相顯微鏡上完成。

2、結(jié)果與討論

2.1退火溫度對顯微組織的影響

圖1為經(jīng)不同溫度退火后TA15鈦合金中厚板材的顯微組織。

從圖1可以看出，在兩相區(qū)退火（750～950℃）后，TA15鈦合金中厚板材的組織均為雙態(tài)組織，即由初生α相＋針狀（α＋β）相或初生α相＋次生α相＋殘余β相組成。當(dāng)退火溫度為750℃時(shí)，初生α相由等軸α相和部分長條α相組成。當(dāng)退火溫度在780℃以上時(shí)，初生α相基本均為等軸α相，且隨著退火溫度的升高，初生α相含量從約70％逐步降低至約30％（950℃退火時(shí)），次生α相逐步析出并長大，至880℃時(shí)次生α相明顯長大；從900℃開始，次生α相開始粗化；當(dāng)退火溫度為950℃時(shí)，次生α相粗化明顯。在β相區(qū)1010℃退火時(shí)，顯微組織為細(xì)小的針狀（α＋β）組織，如圖2ｉ所示，其β晶粒粗大，內(nèi)部雜亂分布著細(xì)長、平直針狀α相，并且由于冷速慢而存在著晶界α相。

本研究中的TA15鈦合金實(shí)際上屬于兩相合金（Kβ＝0.32），其再結(jié)晶開始溫度約為800℃，再結(jié)晶終了溫度約為950℃。因而在800℃以下，如750～780℃退火時(shí)，合金主要發(fā)生回復(fù)過程。由于發(fā)生了多邊形化過程而形成亞結(jié)構(gòu)，其組織形貌仍保留熱軋態(tài)組織，例如動態(tài)再結(jié)晶形成的等軸α相以及變形壓扁的長條α相等。在800～950℃退火時(shí)，合金組織不僅發(fā)生α相和β相的再結(jié)晶，同時(shí)還會發(fā)生亞穩(wěn)β相分解及次生α相的析出：①在800～880℃退火時(shí)，隨著退火溫度的升高，組織中長條狀次生α相逐漸析出，初生α相逐步等軸化；②880℃以上退火，次生α相明顯長大并粗化，同時(shí)初生α相結(jié)晶更充分、晶粒逐漸長大。當(dāng)β退火空冷后，形成了粗大魏氏體以及晶界α相。

2.2退火溫度對拉伸性能的影響

圖2為經(jīng)不同溫度退火后TA15鈦合金中厚板材的室溫拉伸性能。由圖2ａ可以看出，當(dāng)退火溫度在750～880℃時(shí)，隨著退火溫度的升高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，且兩者在880℃均達(dá)到峰值，其中抗拉強(qiáng)度約增加86MPa，屈服強(qiáng)度約增加19MPa；在880℃以上時(shí)，強(qiáng)度均隨著退火溫度的升高而下降，尤其是β退火后，強(qiáng)度降幅更顯著，如抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別降低了80MPa和138MPa。顯然退火溫度對抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的影響規(guī)律大體上是一致的，但在具體變化幅度和區(qū)間上，兩者有一定的區(qū)別，如在750～880℃退火時(shí)，抗拉強(qiáng)度在780℃附近出現(xiàn)微小的波谷，而屈服強(qiáng)度在850℃附近出現(xiàn)谷值，其中抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度在波峰和波谷的差值分別為95MPa和110MPa。由抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的差值曲線同樣可以看出，在750～780℃時(shí)，兩者的變化幅度基本一致；在780℃以上，兩者的差值迅速變大（屈服強(qiáng)度的變化更顯著）并在850℃附近達(dá)到第一個(gè)峰值（約為117MPa）；在850～900℃時(shí)，兩者的變化幅度逐步縮小，在900℃出現(xiàn)谷值（約為92MPa）；在780℃之后，兩者的差值又迅速拉大（屈服強(qiáng)度的降幅更顯著），在1010℃時(shí)達(dá)到第二個(gè)峰值（約為171MPa）。對9組強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，抗拉強(qiáng)度的平均波動為2.4％，最大波動為5.5％；屈服強(qiáng)度的平均波動為4.4％，最大波動為10.1％（出現(xiàn)在1010℃，β退火時(shí)），這也說明在750～1010℃退火時(shí)，屈服強(qiáng)度的波動較抗拉強(qiáng)度要更劇烈。由圖2ｂ可以看出，在750～880℃時(shí)，隨著退火溫度的升高，延伸率和斷面收縮率均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，且兩者均在880℃出現(xiàn)波谷；在880℃以上時(shí)，塑性隨退火溫度的升高而升高，且在950℃出現(xiàn)峰值；當(dāng)退火溫度處于β相區(qū)（1010℃）時(shí)，塑性急劇下降，延伸率和斷面收縮率分別為10％和18％，兩者僅約為兩相區(qū)退火時(shí)的50％。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是在800℃以下退火時(shí)，板材因發(fā)生回復(fù)而消除了熱軋過程產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，因而在性能上表現(xiàn)為強(qiáng)度下降而塑性升高；在800～950℃退火時(shí)，板材同時(shí)發(fā)生再結(jié)晶軟化和次生α相強(qiáng)化過程，因而退火后TA15鈦合金中厚板材的性能變化取決于這兩種因素何時(shí)起主導(dǎo)作用。其中，在800～880℃退火時(shí)，由于次生α相的強(qiáng)化占主導(dǎo)作用，因而板材的抗拉強(qiáng)度隨退火溫度的升高而增大，且在880℃達(dá)到峰值。880℃以上退火，次生α相明顯長大并粗化，其強(qiáng)化作用大大減弱，這時(shí)再結(jié)晶軟化作用占主導(dǎo)地位，因而板材的抗拉強(qiáng)度隨退火溫度的升高而降低。當(dāng)在1010℃β退火時(shí)，由于組織中存在粗大魏氏體以及晶界α相而使強(qiáng)度和塑性同時(shí)急劇下降。對于800～880℃退火時(shí)，屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律不一致（例如在830～850℃出現(xiàn)谷值）的問題，可用亞穩(wěn)β相的分解來解釋［4］。這是由于亞穩(wěn)β相分解過程可促使合金在較低應(yīng)力下進(jìn)行塑性變形，從而引起屈服強(qiáng)度的急劇降低。

有研究表明［5］，兩相合金的斷面收縮率與初生α相含量有密切關(guān)系。本研究中，在800～950℃退火時(shí)，初生α相的含量約為70％～30％，其斷面收縮率始終保持在40％以上，波動并不十分顯著。而一般地，合金在室溫拉伸試驗(yàn)時(shí)其塑性與強(qiáng)度呈相反規(guī)律變化。

3、結(jié)論

（1）在兩相區(qū)和β相區(qū)退火后，TA15鈦合金的組織分別為雙態(tài)組織和魏氏組織；兩相區(qū)退火時(shí)，隨退火溫度的升高，再結(jié)晶過程更充分，次生α相逐步析出、長大直至明顯粗化。

（2）在750～950℃范圍內(nèi)，室溫強(qiáng)度隨退火溫度的升高先降低后升高再降低，在880℃附近出現(xiàn)峰值。而室溫塑性總體上波動較小，與室溫強(qiáng)度呈相反變化趨勢，即隨退火溫度的升高先升高后降低再升高，在880℃和950℃分別出現(xiàn)谷值和峰值。

（3）與兩相區(qū)退火相比，β相區(qū)退火后，板材的強(qiáng)度和塑性均急劇下降。

（4）在整個(gè)退火溫度（750～1010℃）范圍內(nèi)，屈服強(qiáng)度對于退火溫度的變化更敏感，其波動幅度比抗拉強(qiáng)度的更大。

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