摘 要:在(α β)相区对 TA15钛合金棒进行锻造,研究了tβ-15℃、tβ-30℃和tβ-50℃(tβ 为β相变温度)3种锻造温度对合金显微组织和抗拉强度各向异性的影响。结果表明:随着锻造温 度降低,TA15钛合金中初生αp 相含量增加,片层状α相含量减少,厚度和长宽比减小,抗拉强度 提高;TA15钛合金在tβ-50 ℃温度锻造后沿流线方向的抗拉强度可达973MPa,3个方向抗拉强 度的极差随锻造温度的降低而减小;TA15钛合金锻造后的拉伸断口均为韧性断口,锻造温度越 低,初生αp 相含量越高,断口韧窝越深,而含有较多较细长片层状α相时,断口韧窝较浅。

关键词:锻造温度;TA15钛合金;显微组织;抗拉强度;各向异性

中图分类号:TG146.23 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)07-0006-05

0 引 言

钛合金以其低密度、高比强度以及优异的耐蚀 性等特点而广泛应用于航空、航天、船舶等领域[1]。 其中,TA15钛合金是在俄罗斯 BT22钛合金的基础上研制的一种高铝当量近α型钛合金,该合金兼 有α型和(α β)型钛合金的优点,如良好的热加工 性、热强性和焊接性,较高的室温和中温强度,可在 450~500 ℃长期使用,因此被应用于整体隔框、进 气道格栅防护罩和中央翼下壁板等部件[2-4]。目前, 航空用钛合金主要采用锻造为主的成型工艺。钛合 金锻件的显微组织与其热加工历史(变形、热处理 等)密切相关,近α及(α β)型钛合金在(α β)相区 锻造获得的双态组织具有优异的综合性能[5-6]。近 些年,研究人员对 TA15钛合金热加工后的组织和 性能关系进行了深入研究。张旺峰等[7]研究了热处 理工艺对 TA15钛合金组织和性能的影响;JI等[8] 研究了不同热工艺条件下 TA15钛合金三态组织中 片层状α相的演变规律;WU 等[9]采用热模拟压缩 试验研究了 TA15钛合金热变形过程中的热变形行 为及组织球化过程。

目前,国内外对 TA15钛合金的研究主要集中 在热压缩模拟试验以及单一方向组织与性能之间的 影响关系上,而对该合金不同方向上显微组织与力 学性能的相关报道较少。作者通过对 TA15钛合金 棒在(α β)相区不同温度下进行锻造,研究了锻造 温度对 TA15钛合金锻件显微组织和抗拉强度各向 异性的影响,为该合金获得优异组织和力学性能的 热加工工艺制定提供理论依据,从而为该钛合金锻 件生产提供指导。

1 试样制备与试验方法

试验材料为?300mm 的 TA15钛合金棒;该合 金棒由3次真空自耗电弧熔炼铸锭经β相区开坯和 (α β)相区锻造而成,化学成分见表1。采用淬火 金相法测得该炉批 TA15 钛合金棒的相变温度tβ 为998 ℃。TA15 钛 合 金 棒 的 显 微 组 织 如 图 1 所 示,可见初生αp 相分布于β相基体上,初生αp 相质 量分数约55%,呈球状或蠕虫状且分布均匀。

在陕西宏远航空锻造有限责任公司16MN 油 压机上对 TA15钛合金棒进行锻造,锻造成厚度为 200mm 的方坯,锻造加热温度分别为tβ-15 ℃、 tβ-30 ℃和tβ-50 ℃,锻后进行850 ℃×4h热处 理,空冷。在钛合金锻件上取样,经去除氧化层、预 磨、抛光后,采用 Kroll试剂(HF、HNO3、H2O 的体 积比为1∶2∶7)进行腐蚀,使用 LeicaDMI3000M 型 光学显微镜观察显微组织。在钛合金锻件上分别沿 流 线 方 向、宽 度 方 向 和 厚 度 方 向 截 取 尺 寸 为 ?13mm×71mm 的 标 准 拉 伸 试 样,标 距 为 25mm,在Instron3200型万能试验机上进行拉伸 试验,屈服前拉伸速度为0.005mm·s -1,屈服后拉 伸速度为0.02 mm·s -1。使用 TecnaiG2F30S型扫描电镜(SEM)观察拉伸断口形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 对显微组织的影响

TA15钛合金棒经(α β)相区锻造后的显微组 织为典型双态组织,主要由球状初生αp 相和β转变 组织组成,3个方向显微组织差异较小,如图2(a)所 示。由图2(b)~(d)可以看出:在tβ-15 ℃下锻造 后,沿流线方向片层状次生α相排列整齐,呈棒状分 布于β相基体上;随着锻造温度降低,片层状α相的 长度和宽度均减小。

由表2可以发现:当锻造温度由tβ-50 ℃升高 到tβ-15 ℃时,球状初生αp 相的质量分数由45% 降低到15%,这是因为在较高温度下,部分初生αp 相会转变为β相。初生αp 相含量与片层状α相含 量成反比,因此随锻造温度升高片层状α相含量增 加。随着锻造温度降低,片层状α相的厚度和长宽 比减小。这是因为:在较高温度下锻造变形过程中, 大量位错促进α相发生动态再结晶,片层状α相形 核后会迅速长大[10],因此片层的厚度较大;此外,由 于片 层 状 α 相 的 厚 度 方 向 与 β 相 界 面 为 半 共 格界面,厚度方向的长大速率远小于长度方向,因此片层状α相的长宽比也较大。