引言

TA15鈦合金名義成分為Ti-6al-2Zr-1Mo-1V，屬于近α型鈦合金，具有中等強度和良好的綜合性能，其強化機制主要是Ａl及其它元素的固溶強化，熱處理強化效果有限。在大規(guī)格TA15鈦合金鍛件或棒材的生產(chǎn)中，采用普通退火后產(chǎn)品性能的富余量經(jīng)常較小或性能不能滿足標準要求[1－2]。

材料的性能，除了與材料本身的合金成分有關外，還取決于后續(xù)的加工工藝和熱處理制度。周義剛等[3]提出了高溫形變強韌化工藝（近β鍛造結合高低溫強韌化熱處理），將熱加工和熱處理有效的聯(lián)系在一起，獲得了約20%等軸α相、50% ～60%的網(wǎng)籃α相和β轉變基體的三態(tài)組織，使鈦合金的強度－韌性得到了較好匹配。但近β鍛造要求在相變點以下10～15℃進行鍛造，對于大規(guī)格棒材的生產(chǎn)來說，變形溫度區(qū)間狹窄，變形熱難以控制，且變形后要求立即水冷等條件，生產(chǎn)過程復雜，難以實現(xiàn)批量化。朱景川等[4]對初始組織為雙態(tài)組織的兩相鈦合金進行了雙重熱處理，獲得三態(tài)組織，但是該方法是否適用于TA15這類近α型鈦合金還有待研究。孫志超等[5－7]對TA15鈦合金等溫鍛件中三態(tài)組織的形成演變做了大量的研究工作，但主要集中在加工工藝參數(shù)對TA15鈦合金三態(tài)組織的影響規(guī)律，對后續(xù)的熱處理工藝研究較少。基于以上研究，通過普通退火、β單重退火和雙重熱處理獲得不同類型的組織，研究熱處理制度對大規(guī)格TA15鈦合金棒材組織和性能的影響規(guī)律，以期獲得較佳的熱處理工藝，提高大規(guī)格TA15鈦合金棒材的綜合性能。

1、實驗

實驗原料為西北有色金屬研究院提供的經(jīng)過三次真空自耗電弧爐熔煉得到的TA15鈦合金鑄錠，其相變點為993℃。鑄錠在1250T快鍛機上開坯，經(jīng)多火次墩粗、拔長至φ200mm棒材，其顯微組織如圖1所示。由圖1可以看出，棒材的原始組織為典型的α＋β兩相區(qū)加工組織，晶界完全破碎，由初生α相和β轉變基體組成。

在棒材上切取7批試樣，分別進行單重退火處理和雙重退火處理。單重退火處理溫度分別為（750、800、850、1020）℃ ×2ｈ／ＡC；雙重處理制度為975℃ ×1ｈ／WＱ＋（850、900、930）℃ ×2ｈ／ＡC。熱處理爐為ＲX箱式電阻爐，控溫精度為±5℃。

按照標準要求切取拉伸試樣、金相試樣及沖擊試樣。采用ＩＮSTＲＯＮ1185型電子拉伸試驗機進行拉伸性能測試。按照《GB/T229-2007金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行沖擊試驗，試樣尺寸為10mm×10mm×55mm，缺口類型為Ｕ型，每組測試均進行3組平行試驗。采用ＯlｙmｐusＰＭＧ3金相顯微鏡觀察顯微組織，采用imaｇeｐroｐlus60軟件對組織進行定量分析。

2、結果與分析

2.1　單重熱處理對組織的影響

圖2為TA15鈦合金棒材經(jīng)不同溫度單重熱處理后的顯微組織。由圖2可以看出，合金經(jīng)不同溫度的普通退火后，組織形貌變化不大。和原始Ｒ態(tài)組織相比，隨著退火溫度的升高，退火后組織的初生α相體積分數(shù)減少，并逐漸球化，次生片狀α相厚度有所增加。退火溫度由750℃升高到850℃后，初生α相的體積分數(shù)由60%下降到50%。當退火溫度升高到相變點以上的1020℃，即β退火后，合金組織發(fā)生顯著變化，初生α相完全消失，組織由粗大的魏氏體組成，α相平直的沿晶界析出，晶內(nèi)由位向不同的細長α集束組成。

2.2　雙重熱處理對組織的影響

在雙重熱處理過程中，初生α相的體積分數(shù)主要取決于第一重熱處理溫度[5]。本研究第一重熱處理溫度都選定為975℃，主要考察第二重熱處理溫度對組織形貌的影響規(guī)律。圖3為TA15鈦合金棒材經(jīng)第一重熱處理后的顯微組織。圖4為棒材經(jīng)不同溫度雙重熱處理后的顯微組織。可以看出，當棒材經(jīng)975℃高溫直接水冷后，組織由約10%的初生α相和少部分針狀α相和過飽和馬氏體α′相組成，隨后當經(jīng)850℃第二重熱處理時，先前生成的雜亂的針狀α相粗化成網(wǎng)籃狀α，同時伴隨著β→α相的轉變以及部分等軸初生α相的長大，最終組織由體積分數(shù)約24%的初生等軸α相、55%編織交錯的網(wǎng)籃α相和β轉變組織組成的三態(tài)混合組織。當?shù)诙責崽幚頊囟壬咧?00℃時，片狀α相的厚度由0.98μm增加到1.42μm，初生α相體積分數(shù)增加到27%，部分等軸α相呈短桿狀或點狀。當退火溫度繼續(xù)升高到930℃時，片狀α相的厚度增加到1.76μm，初生α相基本完全球化，其體積分數(shù)減少到196%。這表明第二重熱處理溫度對α相的體積分數(shù)和形貌都有顯著影響，隨著第二重熱處理溫度的升高，片狀α相逐漸粗化，而等軸初生α相含量先升高再減少。

和普通退火的單重熱處理相比，雙重熱處理后的次生片狀α相的形貌較為平直，且相互交錯成網(wǎng)狀，這是由于經(jīng)歷了第一重的高溫水冷后，組織保留了大量加工產(chǎn)生的晶體缺陷，片狀α相的析出實質也是一個形核長大的過程，其形核的位置、晶核數(shù)量、長大速率與合金的成分及熱處理制度有關，并遵循一定的布拉格位向關系[8]。次生片狀α相一般首先在β晶界上形核，當次生片狀α相形核后，由于特定的位向關系，片狀α相首先迅速在長度方向上長大，直到接觸到β晶界或相界面等，片狀α相的厚度才開始增加。和普通退火相比，經(jīng)高溫水冷后，組織中保留的晶體缺陷為片狀α相的形核提供了大量的形核質點和儲存能，促進了片狀α相的形成，因此表現(xiàn)為相互交錯的網(wǎng)籃形貌。隨著第二重熱處理溫度的升高，片狀α相形核的驅動能增加，片狀α相形核長大后，將有足夠的時間粗化。Sar ma等人[9]認為，在片狀α相的界面存在空洞和彎曲的結構，隨著溫度的升高，一方面會促進空洞擴張，最終部分片狀α相會開始斷裂、球化，從而導致初生α相含量增加；另一方面，隨著溫度升高，促進了α→β相轉變，部分初生α相逐漸開始球化溶解， α相含量減少。在兩者綜合作用的結果下，等軸初生α相的體積分數(shù)先增加再減少。

2.3　不同熱處理制度對拉伸性能的影響

圖5是TA15鈦合金的室溫拉伸性能隨不同熱處理制度的變化關系。在單重熱處理階段，合金的強度隨著退火溫度的升高而增大，當退火溫度由750℃增加到850℃時，抗拉強度由925MPa增加到986MPa。

在此范圍內(nèi)，合金的塑性隨退火溫度的升高變化不大，延伸率基本保持在13%左右。當退火溫度超過相變點后，由于形成了魏氏體，塑性惡化，延伸率只有8%，合金的強度也顯著降低，因此在TA15鈦合金的加工過程中應避免形成該組織。合金的塑性主要由α相的體積分數(shù)決定，且隨著α相體積分數(shù)增加而增加，當初生α相超過20%時，塑性隨初生α相的體積分數(shù)增加變化不大，由于熱處理后的合金組織初生α相基本在50%以上，所以合金的塑性隨退火溫度的升高變化不大。熱處理強化的本質是強化相的析出，雖然TA15屬于近α鈦合金，但對于大規(guī)格的鍛件來說，TA15鈦合金鑄錠的化學成分實際上已經(jīng)落入兩相合金范圍內(nèi)，是可以進行強化的。

隨著退火溫度的升高，亞穩(wěn)定β相分解，彌散析出的次生α相對TA15鈦合金起到釘扎作用，從而使強度升高。

在雙重熱處理階段，第二重熱處理溫度為850℃時，TA15鈦合金棒材的室溫抗拉強度為1005MPa，隨著第二重溫度升高到930℃，合金的抗拉強度下降到978MPa，延伸率由13%增加至175%。在三態(tài)組織中，等軸初生α相起著變形協(xié)調的作用，β轉變相中的片狀α相降低了等軸α相間的平均自由程，使滑移帶間距減小，位錯線分布均勻、細密，沒有局部位錯嚴重塞積現(xiàn)象，推遲了空洞的形核和發(fā)展，因而顯示稍高的塑性，同時保持了足夠的強度。在雙重熱處理過程中，隨著第二重熱處理溫度的升高，次生片層α相厚度增加，α／β相界相應減少，位錯滑移阻力減小，位錯難以塞積，因此強度下降，塑性增加[10]。

2.4　不同熱處理制度對沖擊性能的影響

圖6是不同熱處理制度對TA15鈦合金棒材沖擊韌性的影響，在單重熱處理階段，隨著退火溫度由750℃增加到850℃，沖擊韌性由512J/cm²增加到651J/cm²，當退火溫度超過相變點時，合金的沖擊韌性下降到588J/cm²，這與合金的強度隨退火溫度的變化趨勢一致。而在雙重熱處理過程中，隨著第二重熱處理溫度的升高，材料的沖擊韌性增加，當溫度升高至930℃時，其沖擊韌性高達933J/cm²，這與合金的強度隨溫度的變化趨勢相反。這說明合金的沖擊韌性與強度并非呈單一的線性關系。

同時也可以看出，合金經(jīng)雙重熱處理后的沖擊韌性整體都高于普通退火。裂紋一般主要在初生α晶界、α／β相界或β晶粒的晶界上形成，初生α相是裂紋萌生和擴展的通道，材料的韌性不僅與初生α相的體積分數(shù)有關，還與α相的形貌有關，裂紋在形成過程中一般沿著相界面進行，裂紋可以平直的穿過或繞過α相，對于含有片狀α相的混合組織，若片狀α相的位向與主裂紋擴展方向相近，裂紋沿α片間通過；若片狀α相的位向與主裂紋走向不一致，裂紋穿過片層α相，但裂紋擴展至片層邊界，將產(chǎn)生停滯效應或被迫改變方向。對于不同類型的鈦合金組織來說，混合組織的沖擊韌性最好，片狀次之，等軸最差[11－12]。在本試驗中，普通退火后的等軸組織的沖擊韌性要高于β退火的魏氏體組織，這是由 于β退火后形成的魏氏體組織的片層α集束較為細小，裂紋可以平直的穿過。在雙重處理過程中，隨著溫度的升高，α相片層厚度的增加，裂紋擴展時產(chǎn)生的偏轉程度增加，斷裂時所需穿過的總路徑增加，吸收的能量也就越多，因此沖擊韌性增加。

綜上所述，在3種不同類型的熱處理制度中，β退火由于形成了單一片狀組織，塑性惡化，綜合性能最差；普通退火后，合金的性能可以滿足標準要求；經(jīng)強韌化的雙重熱處理后，和普通退火相比，TA15鈦合金棒材的綜合力學性能得到一定程度的提高，當熱處理制度為975℃ ×1ｈ／WＱ＋850℃ ×2ｈ／ＡC時，此時合金具有良好的強韌性匹配，其室溫抗拉強度為1005MPa，屈服強度為914MPa，延伸率為13%，室溫沖擊韌性為722J/cm²。

3、結論

（1）普通退火對TA15鈦合金棒材的組織形貌影響不大，合金的強度和沖擊韌性隨退火溫度的升高而增加，塑性基本保持不變。

（2）強韌化的雙重熱處理過程中，第二重熱處理溫度主要影響片狀α相的厚度，隨著第二重熱處理溫度的升高，片狀α相的厚度增加，TA15鈦合金的強度降低，塑性和沖擊韌性增加。

（3）當熱處理制度為975℃ ×1ｈ／WＱ＋850℃×2ｈ／ＡC時，TA15鈦合金組織由約24%的初生等軸α相、55%左右的網(wǎng)籃α相和β轉變組織組成，此時合金具有良好的強韌性匹配。

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