TA15钛合金中板组织与力学性能研究.pdf

第40卷第4期Vol.40No.42023 年8 月August2023TA15 钛合金中板组织与力学性能研究张苗1，孙梦奇1，马佳琨1,2，强刚刚1，王乐豪1，郭金榜1，王勤波1(1.宝鸡钛业股份有限公司，陕西宝鸡721014)(2.宝钛集团有限公司，陕西宝鸡721014)摘要：采用一次换向+四火次轧制、二次换向+四火次轧制和一次换向+三火次大变形轧制 3 种工艺制备了厚度10.0 mm 的 TA15 钛合金中板，研究了轧制工艺对板材显微组织和力学性能的影响。结果表明：3 种 TA15 钛合金中板显微组织均为+两相区加工组织，但采用二次换向+四火次轧制的样品 B 显微组织中初生相尺寸最为细小、等轴化程度最高；3 种 TA15 钛合金板材室温和高温力学性能均符合 GJB 2505A2008 标准要求，但采用一次换向+三火次大变形轧制的样品 C 室温和 500 高温抗拉强度横纵向差异最小，500 高温持久性能最佳。关键词：TA15 钛合金；中板；轧制工艺；显微组织；力学性能中图分类号：TG337.6；TG146.23文献标识码：A文章编号：1009-9964(2023)04-040-04Study on Microstructure and Mechanical Properties ofTA15 Titanium Alloy Medium PlateZhang Miao1,Sun Mengqi1,Ma Jiakun1,2,Qiang Ganggang1,Wang Lehao1,Guo Jinbang1,Wang Qinbo1(1.Baoji Titanium Industry Co.,Ltd.,Baoji 721014,China)(2.Baoti Group Co.,Ltd.,Baoji 721014,China)Abstract:TA15 titanium alloy medium plates with thickness of 10.0 mm were prepared by three kinds of rollingprocesses,which were once reversing+four heat rolling,twice reversing+four heat rolling and once reversing+threeheat large deformation rolling.Then the effect of rolling process on the microstructures and mechanical propertieswere investigated.The results show that the microstructures of three types of 10.0 mm TA15 titanium alloy mediumplates are all processed in the +two-phase zone,while the primary phase of sample B prepared by twicereversing+four heat rolling process is the finest and the most spheroidized.All mechanical properties atroom-temperature and high-temperature of three types of TA15 titanium alloy plates meet the standard requirements ofGJB 2505A2008,and the transverse and longitudinal differences of tensile strength at room-temperature andhigh-temperature of the sample C prepared by once reversing+three heat large deformation rolling process are thesmallest,and the stress rupture properties at 500 are the most excellent.Keywords:TA15 titanium alloy;medium plate;rolling process;microstructure;mechanical propertiesTA15（Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr）钛合金属于高 Al 当量的近型钛合金，其既有型钛合金良好的热强性和可焊性，又有接近于-型钛合金的工艺塑性，长时间工作温度可达 500，在航空航天等领域得到了广泛应用1-3。TA15 钛合金半成品主要有板材、棒材、锻件、型材、铸件等，其中板材占有重要地位4-6。收稿日期：2023-05-07通信作者：张苗（1991），女，工程师。随着 TA15 钛合金在飞机结构和发动机上应用的深入，对板材性能也提出了更为严苛的要求，关于 TA15钛合金板材的研究也在不断丰富7-10。杨健等7研究了不同轧制工艺对 TA15 钛合金薄板组织及力学性能的影响；刘瑞民等8研究了热处理参数对 TA15 钛合金薄板和厚板拉伸性能和显微组织的影响；王蕊宁等9分析了不同火次轧制过程中 TA15 钛合金板材的组织变化；郭志军等10探讨了变形参数对 TA15 钛合金厚板显微组织及第 4 期张苗等：TA15 钛合金中板组织与力学性能研究41力学性能的影响。但目前关于 TA15 钛合金中板工业化生产中轧制工艺与组织性能关系的研究仍较为缺乏。本研究采用 3 种不同轧制工艺制备 TA15 钛合金中板，分析不同板材间组织和性能的差异，建立工艺组织性能之间的关系，以期为工业化生产 TA15 钛合金中板工艺的制定与选择提供参考。1实验实验材料为采用真空自耗电弧炉经 3 次熔炼制备的TA15 钛合金铸锭，金相法测定相变点 T为 996。铸锭开坯后，采用万吨油压机锻造加工成 240 mm 厚锻坯，其主要化学成分见表 1。表 1TA15 钛合金锻坯化学成分（w/%）Table 1Chemical composition of TA15 titanium alloy forging billetTiAlMoVZrFeOCNSiBal.6.51.61.42.00.040.080.01 0.01 0.02采用3种工艺在1200 mm四辊可逆式热轧机上轧制锻坯，得到厚度为 10.0 mm 的成品 TA15 钛合金中板。一火开坯加热温度为 T（2050），其他火次加热温度为 T（3060），各火次变形量为 40%70%。3种轧制工艺如下：工艺为一次换向+四火次轧制；工艺为二次换向+四火次轧制；工艺为一次换向+三火次大变形轧制。通过对比工艺与工艺，分析换向次数对 TA15 钛合金中板显微组织和力学性能的影响；通过对比工艺与工艺，分析变形量对 TA15 钛合金中板显微组织和力学性能的影响。工艺、工艺和工艺轧制的 TA15 钛合金中板经840/1h/AC 退火处理后，标记为样品 A、样品 B 和样品C，分别切取横、纵向试样，进行显微组织观察、室温和高温力学性能检测。金相试样经腐蚀液（5%HF+12%HNO3+83%H2O，体积分数）浸蚀 5 s 后，按照 GB/T51682008 标准在 AXIOVERT 200MAT 金相显微镜下进行组织观察。室温和 500 高温拉伸性能分别按照 GB/T2282002标准和GB/T228.22015标准在INSTRON5885电子万能材料拉伸试验机和TSE105D-Z高温拉伸试验机上测试，以3 个平行试样的平均值作为测试结果。高温持久性能按照GB/T20392012标准在RD-50微控电子式蠕变持久试验机上进行，测试条件分别为：在 500/470 MPa下持续70.5h；在500/440MPa下持续121h。2结果与分析2.1显微组织3 种 TA15 钛合金中板显微组织如图 1 所示。从图 1可以看出，3 种 TA15 钛合金中板显微组织均为+两相区加工组织，无连续平直的晶界相，原始晶界被充分破碎，符合 GJB 2505A2008航空用钛及钛合金板材和带材规范 中对 TA15 钛合金板材显微组织的要求。相比之下，样品 B 初生等轴化程度较好，样品 A 次之，样品 C 出现大量拉长的初生相。可见，增加换向次数有利于提高 TA15 钛合金中板初生相等轴化程图 13 种 TA15 钛合金中板的显微组织Fig.1Microstructures of TA15 titanium alloy medium plates:(a)Sample A,transverse;(b)Sample B,transverse;(c)Sample C,transverse,(d)Sample A,longitudinal;(e)Sample B,longitudinal;(f)Sample C,longitudinal4240 卷钛 工 业 进 展Titanium Industry Progress度，而大变形轧制使得初生相拉长程度加剧。采用 Image-Pro Plus 6.0 软件对 3 种 TA15 钛合金中板初生相尺寸进行测量统计，结果见表 2。从表 2 可以看出，样品 B 的初生相最为细小，尺寸为 6.7 m；样品 C 次之，尺寸为 7.9 m；而样品 A 的初生相最为粗大，尺寸为 9.4 m。这表明增加换向次数或者采用大变形轧制均有助于细化组织，且前者效果更为显著。表 2TA15 钛合金中板初生相尺寸（m）Table 2Primary phase size of TA15 titanium alloy medium platesSampleTransverseLongitudinalA9.49.4B6.76.7C7.97.92.2室温力学性能3 种 TA15 钛合金中板的室温拉伸性能如图 2 所示。从图 2 可以看出，3 种 TA15 钛合金中板横向抗拉强度、屈服强度和延伸率均高于纵向，结果也均符合 GJB2505A2008 标准中对 TA15 钛合金板材抗拉强度（9301130 MPa）、屈服强度（855 MPa）和延伸率（8%）的要求，且富余量较高。其中，样品 A 和样品 B 的横纵向抗拉强度和屈服强度均相差不大，而样品C 的横向抗拉强度和屈服强度较低，纵向抗拉强度和屈服强度明显增加。3 种 TA15 钛合金中板的横纵向延伸率差别不大。通过计算可知，样品 A、样品 B 和样品 C 的横纵向抗拉强度的差值分别为 53、72 和 7 MPa，横纵向屈服强度的差值分别为 66、77 和 19 MPa，可见样品 C 的横纵向强度差异最小。这表明换向次数对 TA15 钛合金中板室温拉伸性能影响不大，而大变形轧制可有效减小TA15 钛合金中板横纵向室温强度差异。研究11-13认为，板材轧制后横纵向力学性能差异是由于材料在不同方向上的滑移能力不同造成的，而不同方向上的滑移能力与轧制后的织构密不可分。Gey 等14对织构类型及其形成机制研究发现，当初生相与相保持Burgers 取向关系时，在热轧变形后的冷却过程中，相变将优先形成特定取向的相，从而导致局部变形织构被保留；而当大变形充分破坏了初生相与相之间的Burgers 取向关系时，将减少织构的形成。因此，相对于样品A和样品B，采用大变形轧制的样品C变形更为充分，其织构强度弱，故而横纵向力学性能差异较小。图 23 种 TA15 钛合金中板的室温拉伸性能Fig.2Room temperature tensile properties of TA15 titanium alloy medium plates:(a)tensile strength;(b)yield strength;(c)elongation2.3高温力学性能2.3.1高温拉伸性能3 种 TA15 钛合金中板在 500 高温下的抗拉强度如图 3 所示。从图 3 可以看出，3 种 TA15 钛合金中板的高温抗拉强度均符合 GJB 2505A2008 要求（500 高温抗拉强度635 MPa），且富余量较高。与室温抗拉强度变化一致，样品 A 在 500 的高温横纵向抗拉强度与样品 B 相差不大，且 2 种板材横纵向抗拉强度差值均为 66 MPa。而与样品 A 和样品 B 相比，样品 C 横向高温抗拉强度降低，纵向增大，其横纵向抗拉强度差异明显较小，仅为 6 MPa。该结果同样表明，换向次数对TA15 钛合金中板高温拉伸性能的影响不大，而大变形轧制有利于横纵向高温抗拉强度差异的减小。图 3TA15 钛合金中板的 500 高温抗拉强度Fig.3High temperature tensile strength at 500 of TA15titanium alloy medium plates2.3.2高温持久性能在 500/470 MPa 条件下，3 种 TA15 钛合金中板第 4 期张苗等：TA15 钛合金中板组织与力学性能研究43的持久性能检测结果显示，横纵向试样均可保持 70.5 h未发生断裂，表现良好。在 500/440 MPa 条件下，3 种 TA15 钛合金中板的持久性能见表 3。从表 3 可以看出，样品 A 和样品 B均有 1 个纵向试样提前断裂，其余 2 个纵向试样和 3 个横向试样保持 121 h 未发生断裂；样品 C 横纵试样均保持 121 h 未发生断裂。由此可见，采用一次换向+三火次大变形轧制的样品 C 持久性能最佳。表 33 种 TA15 钛合金中板在 500/440 MPa 条件下的持久寿命（h）Table 3Stress rupture life of TA15 titanium alloy medium plates atcondition of 500/440 MPaSampleTransverseLongitudinal1#2#3#1#2#3#A121.0121.0121.0110.0 121.0 121.0B121.0121.0121.0112.6 121.0 121.0C121.0121.0121.0121.0 121.0 121.03结论(1)分别采用一次换向+四火次轧制、二次换向+四火次轧制和一次换向+三火次大变形轧制工艺制备出 10.0 mm 厚 TA15 钛合金中板，其组织均为+两相区加工组织。采用二次换向+四火次轧制的样品 B 初生相最为细小，等轴化程度最高，而采用一次换向+三火次大变形轧制的样品 C 初生相大小次之，但其拉长程度最为显著。(2)3 种 TA15 钛合金中板横纵向室温拉伸性能和500 高温拉伸性能均符合 GJB 2505A2008 标准中对TA15 钛合金板材的要求。采用一次换向+三火次大变形轧制的样品 C 室温抗拉强度、屈服强度及 500 高温抗拉强度横纵向差异最小。(3)3种TA15钛合金中板在500/470MPa条件下的持久性能均表现良好，而在 500/440MPa条件下采用一次换向+三火次大变形轧制的样品 C 持久性能最佳。(4)工业化生产中要获得初生相细小、等轴化程度高的 TA15 钛合金中板时，可优先选用二次换向+四火次轧制工艺；而需要获得力学性能横纵向差异较小、持久性能更为稳定可靠的 TA15 钛合金中板时，可优先选用一次换向+三火次大变形轧制工艺。参考文献References1 黄旭,朱知寿,王红红.先进航空钛合金材料与应用M.北京:国防工业出版社,2012:26-47.2 姚彭彭,李萍,李成铭,等.TA15 钛合金热变形行为及显微组织J.稀有金属,2015,39(11):967-9743 Yin Z K,Wang C,Sun Z C,et al.Parameter matching of near-forging+solution and aging treatment for near-titanium alloywith tri-modal microstructureJ.Rare Metal Materials andEngineering,2022,51(7):2409-2419.4 Wan Y G,Luo F,Xie L S,et at.Numerical and experimentalinvestigations on the effect of shot peening intensity on thesurface integrity of 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