TA15钛合金棒材不同部位的组织与拉伸性能的差异

发布时间: 2024-05-08 09:43:28    浏览次数:

TA15钛合金是一种常见的近α型钛合金,该合金的名义成分为Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V,因为其具备较优异的高温以及室温强度、良好的可塑性、优异的热稳定性和焊接性能良好等特性,在航天飞机的结构件受到大量且广泛的应用,今年来,因为其应用领域不断增加,对该合金的力学性能要求更加严格[1-2]。

TA15钛合金棒

目前对TA15钛合金的研究较多,武小娟等[3]研究了TA15钛合金不等厚L型材热轧有限元模拟,结果表明:TA15钛合金进行轧制时,会产生的变形热较多,进而提升合金轧件的温度,不同道次的薄壁温度不同。当温度较低时,需要重新将合金进行补温处理,提升轧制道次会增加合金的应变,轧制过程中形成的弯曲变形现象通过添加楔形坯料会得到有效改善。安强等[4]研究了TA15钛合金表面原位合成TiC增强钛基激光熔覆层的组织与耐磨性,结果表明:合金的涂层由TiC以及CrTi4等物相构成,该涂层和合金的基体之间结合性良好,涂层区域的微观组织由柱状晶以及平面晶构成,组织中心位置是典型的树枝晶,在组织的顶部为等轴晶粒,经测试可得,涂层区域的维氏硬度为715HV,其为TA15钛合金硬度的2.1倍。

工业生产中的TA15钛合金以棒材为主,而规格较多的棒材不同位置的组织会有所差异,本试验选取工业生产中常见的TA15钛合金棒材,分析其不同位置的显微组织和力学性能。

1、试验材料与方法

本试验选用的钛合金为经两次真空自耗熔炼炉熔炼,并经多火次锻造而成直径为150mm的TA15钛合金棒材,该合金原料为中间合金以及小颗粒海绵钛,经过ICP测得TA15钛合金棒材的化学成分为(质量分数,%):6.75Al、1.72Mo、2.21V、0.21O、Ti余量。使用连续升温金相法测得试验使用的TA15钛合金棒材的相变点为1010~1015℃。

将锻造而成的棒材进行整体热处理,具体热处理制度为860℃×2h/AC(AC表示室温冷却),随后将棒材进行切割,选取棒材心部、D/4处、边部三个位置的试样,观察其微观组织,并分别测试棒材T向(棒材横向)和L向(棒材纵向)的室温拉伸力学性能。使用ICX41M型光学显微镜观察棒材不同位置微观组织,棒材不同位置室温和高温拉伸性能使用INSTRON型万能试验机测试,拉伸性能测试每组三个试样,取测试平均值。

2、结果与讨论

2.1棒材锻态金相组织

图1为TA15钛合金棒材原始锻态不同部位的金相组织,由图1可得,该金相组织为明显的两相区锻造所形成组织,组织中原始β晶粒破碎充分,无明显β晶界,横向和纵向组织差异性较小,其中边部和D/4处金相组织较为接近,组织由大量等轴α相以及部分被拉长α相构成,并有明显的β转变组织,β转变组织内部包含细小次生α相和残余β相,D/4处的金相组织等轴α相尺寸更大,次生α相尺寸更小。而组织中心部金相组织与其余位置差异较大,组织α相形貌以棒状为主,并有少量等轴α相,其中β转变组织较少,总体分析,TA15钛合金棒材各个部位原始金相组织差异较大,等轴α相含量由边部向心部逐渐减少,棒状α相含量呈现出相反趋势。

360截图164704137710092.jpg

2.2退火态金相组织

图2为TA15钛合金棒材经860℃×2h/AC退火处理的金相组织,棒材经退火处理后,组织较原始锻态组织相比,合金经退火处理时,锻造过程形成的变形晶粒会发生回复以及再结晶,在再结晶过程中,变形晶粒进一步发生等轴化[5],此时组织形状以及尺寸不规则的α相含量较小,同时位于α相晶界处会产生一定量不均匀分布β转变组织,随着退火过程不断进行,组织中初生α相的相貌会等轴化明显,β转变组织的含量也逐渐增加,组织主要包含等轴状初生α相以及β转变组织。

360截图16450705468280.jpg

在初生α相含量方面,边部横向组织初生α相含量为53.0%,平均晶粒直径为13.1μm,晶粒度级别为9.5级,纵向组织初生α相含量为50.7%,平均晶粒直径为19.7μm,晶粒度级别8.4级,经对比发现,棒材边部横向以及纵向金相组织中初生α向含量接近,但横向金相组织等轴化程度较纵向要好,平均晶粒尺寸也较纵向组织要小。经退火处理后锻棒D/4处位置的金相组织与边部接近,均是以等轴状初生α相以及β转变组织为主,其中横向组织中初生α相含量为56.7%,平均晶粒直径15.3μm,晶粒度级别为9.1级,纵向组织中初生α相含量为53.1%,平均α晶粒直径为23.6μm,晶粒度级别7.8级,且横向与纵向的初生α相等轴化程度接近,差异性较小。而经退火后锻棒中心位置金相组织与其余位置差异性较大,经检测横向组织初生α相含量为20.5%,平均α晶粒直径为20.1μm,晶粒度级别为8.3级,纵向组织初生α相含量为17.4%,平均α晶粒直径为31.6μm,晶粒度级别7.0级,可以发现经退火处理后,棒材心部组织与锻态组织类似,并无明显变化。

2.3退火态力学性能

经上文金相组织分析,棒材经退火处理后,D/4处组织均匀性最佳,故选取该部位试验进行力学性能测试,表1为测试所得退火态棒材力学性能,由表1可得,棒材的横向与纵向力学性能差异性很小,并未发现明显的各项异性,TA15钛合金的塑形变形以滑移为主并有少量孪生发现,合金在进行塑形变形时,组织中滑移的开动首先在等轴状α相中发生,等轴状α相的含量与尺寸对合金的塑形影响较大,其含量越大塑形值越高[5],因为合金的金相组织中等轴状α相含量较多,导致合金的塑形较高,其断后伸长率可达17.5%,而断面收缩率可达47%,影响合金强度的主要因素为组织中次生α相的含量越尺寸,其尺寸越细小,含量越多,合金强度越大,因为退火态合金的组织中含有一定数量的次生α相,合金在进行塑形变形时,细小的次生α相会发生位错塞积,若合金继续变形,则需要施加更大的外力,导致合金强度升高,其最大抗拉强度可达989MPa。

360截图16741209185251.jpg

TA15钛合金棒材进行冲击试验过程中,其能量消耗通常以形成裂纹所需的功为主,通常情况下,组织的形貌有较多次生α相时,其阻碍裂纹扩展能力较等轴α相强,导致裂纹进行扩展时需要较高的能量,同时,当次生α相含量较多时,会增加α/β界面总数,位错在运动过程中遇到的阻碍增加,进行冲击试验时,次生α相会降低组织之间协调性,增加应力集中现象,裂纹较易形成,进而进行扩展[6]。

3、结论

(1)原始锻态不同部位的金相组织为明显的两相区锻造所形成组织,组织中原始β晶粒破碎充分,无明显β晶界,横向和纵向组织差异性较小。

(2)经退火处理后,棒材边部和D/4处的横向以及纵向金相组织中初生α向含量接近,但横向金相组织等轴化程度较纵向要好,平均晶粒尺寸也较纵向组织要小,而经退火后锻棒中心位置金相组织与其余位置差异性较大。

(3)棒材经退火处理后,棒材的横向与纵向力学性能差异性很小,并未发现明显的各项异性。

参考文献:

[1]王哲,何健,张帅,刘程程,等.锻造设备对TA15钛合金显微组织及性能的影响研究[J].钢铁钒钛,2022,43(01):80-84.

[2]李永奎,齐海东,路林,等.基于热膨胀方法的TA15钛合金的连续冷却相转变[J].材料热处理学报,2021,42(12):69-75.

[3]武小娟,杨川,张志强,等.TA15钛合金不等厚L型材热轧有限元模拟[J].钛工业进展,2022,39(01):1-5.

[4]安强,祁文军,左小刚.TA15钛合金表面原位合成TiC增强钛基激光熔覆层的组织与耐磨性[J/OL].材料程:1-8[2022-04-03].

[5]张明玉,运新兵,伏洪旺.不同热处理工艺对TC10钛合金组织及性能的影响[J].塑性工程学报,2021,28(12):237-245.

[6]吴静怡,杨柳,代广霖,等.新型α+β双相钛合金板抗高速冲击损伤行为研究[J].稀有金属材料与工程,2022,51(02):615-621.

↑