TA15鈦合金板跨相變點(diǎn)退火的組織與織構(gòu)演化規(guī)律及其對拉伸性能的耦合影響機(jī)制

引言

鈦因具有低密度、高強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕性，以及良好的生物相容性，成為航空航天、軌道交通、醫(yī)療器械、化工設(shè)備、海洋工程和汽車制造等行業(yè)的理想材料[1-2]。TA15鈦合金是一種近α型鈦合金，與其他鈦合金相比，具有良好的焊接性能以及良好的加工性能，該合金焊縫區(qū)域的力學(xué)性能與母材相當(dāng)，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制造中具有優(yōu)勢，且TA15鈦合金可以通過多種加工方法成形，如鍛造、軋制和擠壓等，便于制造復(fù)雜形狀的零部件[3-4]。

目前已有部分學(xué)者對TA15鈦合金的退火工藝進(jìn)行了研究，如劉家濤等[5]研究了退火溫度對TA15鈦合金顯微組織和力學(xué)性能的影響；曾菁等[6]研究了退火對高M(jìn)o當(dāng)量大型TA15鈦合金鍛件組織與拉伸性能的影響；董少崢等[7]則研究了退火溫度對TA15鈦合金高溫與室溫拉伸性能的影響。雖然已有部分學(xué)者對TA15鈦合金的退火工藝進(jìn)行研究，但目前的退火溫度通常以兩相區(qū)溫度為主，且主要研究退火溫度對微觀組織以及力學(xué)性能影響，鮮有關(guān)于織構(gòu)方面的研究。

故本文結(jié)合目前研究現(xiàn)狀，研究TA15鈦合金經(jīng)不同溫度區(qū)間退火后的組織、織構(gòu)以及拉伸性能具有重要意義。首先，這不僅能填補(bǔ)相關(guān)研究領(lǐng)域的空白，深化對TA15鈦合金熱處理機(jī)制的理解，還能為優(yōu)化其加工工藝提供科學(xué)依據(jù)；其次，從工程應(yīng)用的角度來看，了解退火溫度對TA15鈦合金組織、織構(gòu)及拉伸性能的影響，有助于選擇最佳的熱處理參數(shù)，從而提高材料的綜合性能，延長使用壽命，降低生產(chǎn)成本。

1、試驗(yàn)材料及方法

選用TA15鈦合金板材作為研究材料，相變點(diǎn)為993℃，具體化學(xué)成分如表1所示。基于測得的相變點(diǎn)溫度，分別設(shè)計(jì)兩相區(qū)溫度(960℃、980℃)以及單相區(qū)溫度(1000℃、1020℃)對TA15鈦合金進(jìn)行退火處理，退火時(shí)間均為2h，具體加熱溫度以及加熱時(shí)間參數(shù)詳見表2，其中AC代表合金加熱完成后進(jìn)行室溫冷卻。

表1TA15鈦合金板材成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2退火工藝方案

完成退火處理后，對TA15鈦合金進(jìn)行取樣，分別對其組織以及室溫拉伸性能進(jìn)行觀察與分析。為保證測試與分析的一致性，所有試樣的觀察面以及拉伸試樣均為板材的軋制方向(RD方向)。合金經(jīng)退火處理后的微觀組織形貌使用OLYMPUS光學(xué)顯微鏡來觀察，合金內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)則采用SUPRA55場發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行電子背散射衍射(EBSD)測試。在INSTRON萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸性能測試，為確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，從每組工藝中選取3個(gè)試樣進(jìn)行測試，以平均值作為該組工藝的拉伸性能指標(biāo)。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1微觀組織

TA15鈦合金經(jīng)不同溫度退火處理后的微觀組織形貌如圖1所示，發(fā)現(xiàn)當(dāng)經(jīng)兩相區(qū)溫度退火處理后，見圖1(a)和圖1(b)，二者的組織均為雙態(tài)組織，組織中包含初生α相以及次生α相，其中初生α相形貌以粗大塊狀為主，并伴有一定數(shù)量的等軸狀形貌，而次生α相形貌則以細(xì)小條狀為主。圖1(b)相比于圖1(a)，組織中初生α相體積明顯減小、數(shù)量明顯減少，且等軸化程度也有一定程度增加，次生α相的數(shù)量則有明顯增加但體積未出現(xiàn)明顯增大。隨著退火溫度升高，在加熱過程中，組織中發(fā)生物相轉(zhuǎn)變，α相向β相進(jìn)行轉(zhuǎn)變，加熱溫度增加則意味著更多的α相向β相進(jìn)行轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致組織中初生α相含量不斷減少；當(dāng)加熱完成后，在冷卻過程中β相向α相發(fā)生轉(zhuǎn)變，但冷卻速度較快導(dǎo)致新形成的次生α相來不及生長，最終形成細(xì)小條狀形貌。

當(dāng)合金經(jīng)單相區(qū)溫度退火處理后，見圖1(c)和圖1(d)，二者組織形貌相似度極高，組織中均形成明顯的粗大β晶粒，且在晶粒內(nèi)部存在細(xì)小條狀次生α相。在加熱溫度升高至單相區(qū)后，組織中初生α相完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪唷＆孪嗍且环N在較高溫度下穩(wěn)定存在的相，具有更高的原子自由度和較高的擴(kuò)散速率。在高溫條件下，合金中的原子具有較高的活動能力，它們更容易遷移和重新排列，這種遷移和重新排列會導(dǎo)致晶粒的長大，形成粗大的β晶粒。

2.2織構(gòu)分析

TA15鈦合金經(jīng)不同溫度退火處理后，其內(nèi)部組織形貌發(fā)生明顯變化，但僅從組織形貌的變化無法深入分析其內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的變化，故對經(jīng)不同溫度退火處理后的合金進(jìn)行EBSD測試和表征分析。因?yàn)殁伜辖鸬木w結(jié)構(gòu)為密排六方結(jié)構(gòu)，其在塑性變形過程中主要是基面進(jìn)行滑移，故對基面{0002}晶面的極圖進(jìn)行分析[8]。

TA15鈦合金經(jīng)不同溫度退火處理后極圖如圖2所示，發(fā)現(xiàn)合金經(jīng)兩相區(qū)溫度退火處理后，二者的極圖有明顯的變化趨勢，退火溫度為960℃時(shí)，組織具有明顯的T型織構(gòu)，在退火溫度升高至980℃時(shí)，組織呈現(xiàn)近T型織構(gòu)，取向集中方向開始發(fā)生變化，但發(fā)現(xiàn)圖2(a)與圖2(b)中的織構(gòu)密度變化較小，分別為4.8和5.0。當(dāng)合金經(jīng)單相區(qū)溫度退火處理后，發(fā)現(xiàn)極圖產(chǎn)生明顯變化，此時(shí)極圖呈現(xiàn)出明顯的R型織構(gòu)，且織構(gòu)密度明顯增加至6.7。隨著退火溫度繼續(xù)升高至1020℃時(shí)，發(fā)現(xiàn)此時(shí)的極圖與圖2(c)接近，同樣呈現(xiàn)出典型的R型織構(gòu)，且織構(gòu)密度為6.8。

隨著退火溫度的升高，合金內(nèi)部原子的活動能力增強(qiáng)，更容易遷移和擴(kuò)散，在退火過程中，組織中會發(fā)生物相轉(zhuǎn)變，在相變過程中，原子重新排列和組合，導(dǎo)致織構(gòu)類型變化，同時(shí)原子的重新分布和組合，使得原子間的間隙減小，從而導(dǎo)致密度增加。

2.3室溫拉伸性能

TA15鈦合金經(jīng)不同溫度退火處理后的室溫拉伸性能如圖3所示，發(fā)現(xiàn)退火溫度為兩相區(qū)溫度時(shí)，合金強(qiáng)度隨溫度升高而增大，但是塑性不斷降低。在退火溫度從兩相區(qū)溫度升至單相區(qū)溫度時(shí)，合金強(qiáng)度進(jìn)一步增大，而塑性則出現(xiàn)大幅度降低，當(dāng)退火溫度達(dá)到單相區(qū)溫度后，繼續(xù)升高退火溫度，合金的強(qiáng)度與塑性未出現(xiàn)明顯的變化。其中在退火溫度為960℃時(shí)，合金塑性性能最佳，此時(shí)合金的斷后伸長率A為、斷面收縮率Z為；在退火溫度為1020℃時(shí)，合金強(qiáng)度達(dá)到最大，此時(shí)抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度R_p0.2為950MPa。

由圖可知，在退火溫度較低時(shí)，組織中初生α相含量較多，大量的初生α相提供了更多的滑移系，使得合金在受到外力作用時(shí)，能夠通過各種滑移系進(jìn)行塑性變形，進(jìn)而吸收更多的能量，隨著更多的能量被吸收，合金在受到拉伸并產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展時(shí)，能夠更加有效地分散應(yīng)力，延緩裂紋的擴(kuò)展速度，從而更好地抵抗裂紋的擴(kuò)展，故此時(shí)合金塑性較高[8-9]。而隨著退火溫度升高，初生α相含量減少，合金塑性降低；當(dāng)退火溫度為單相區(qū)時(shí)，初生α相完全消失，導(dǎo)致合金塑性大幅度降低。退火溫度升高，組織中次生α相含量不斷增加，細(xì)小條狀的次生α相具有細(xì)小的尺寸，這表示組織的晶粒得到了細(xì)化，晶粒細(xì)化能夠增加晶界數(shù)量，進(jìn)而提高材料的抗變形能力，故導(dǎo)致合金強(qiáng)度隨退火溫度升高而增大[10]。

由圖2可知，退火溫度升高會導(dǎo)致組織中織構(gòu)類型發(fā)生變化，當(dāng)織構(gòu)類型發(fā)生變化時(shí)，合金內(nèi)部的晶粒排列方式和晶界結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致晶粒更加緊密排列，提高合金的密度和均勻性，從而提高其強(qiáng)度，而另一些織構(gòu)類型可能導(dǎo)致晶粒間的弱連接增多，降低合金的整體強(qiáng)度。結(jié)合圖2與圖3可以得出結(jié)論，在組織中存在T型織構(gòu)時(shí)，合金抗拉強(qiáng)度最大值為985MPa，當(dāng)組織中存在R型織構(gòu)時(shí)，合金抗拉強(qiáng)度最大值為1003MPa，即當(dāng)組織中存在R型織構(gòu)時(shí)，合金強(qiáng)度較高。

3、結(jié)論

經(jīng)兩相區(qū)溫度退火處理后的組織為雙態(tài)組織，組織中包含初生α相以及次生α相，初生α相形貌呈現(xiàn)塊狀以及等軸狀形貌，次生α相形貌以細(xì)小條狀為主。經(jīng)單相區(qū)溫度退火處理后，組織中出現(xiàn)粗大β晶粒以及細(xì)小條狀次生α相。

經(jīng)兩相區(qū)溫度退火處理后極圖具有T型織構(gòu)，織構(gòu)密度接近；經(jīng)單相區(qū)溫度退火處理后的極圖為R型織構(gòu)，織構(gòu)最大密度明顯增加至6.8。

退火溫度為兩相區(qū)溫度時(shí)，退火溫度升高的過程中，合金強(qiáng)度增大，塑性不斷降低。退火溫度為單相區(qū)溫度時(shí)，合金強(qiáng)度相比兩相區(qū)溫度時(shí)更高，塑性則出現(xiàn)大幅度降低。

參考文獻(xiàn)

[1] 王龍剛，包婷婷，譚長生，等。形變熱處理對 TC9 鈦合金組織及拉伸性能的影響 [J]. 材料熱處理學(xué)報(bào)，2024，45 (11)：85-92.

[2] 張航，祖國慶，王大臣，等.TC4 鈦合金鍛態(tài)板材 TIG 焊后組織與性能研究 [J]. 鋼鐵釩鈦，2024，45 (5)：63-69.

[3] 趙麗娟，魏科，黃駿，等。不同道次應(yīng)變分配下 TA15 鈦合金雙道次熱壓縮靜態(tài)軟化行為 [J]. 材料熱處理學(xué)報(bào)，2024，45 (7)：194-200.

[4] 李曉煜，唐敏，劉昕，等。不同鍛造工藝對 TA15 棒材組織性能影響 [J]. 鋼鐵釩鈦，2024，45 (1)：57-64.

[5] 劉家濤，孫世能，戴山，等。退火溫度對 TA15 鈦合金顯微組織和力學(xué)性能的影響 [J]. 熱處理，2024，39 (1)：25-27.

[6] 曾菁，王曉巍，余勝峰，等。退火對高 Mo 當(dāng)量大型 TA15 鈦合金鍛件組織與拉伸性能的影響 [J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展，2022，39 (6)：24-27.

[7] 董少崢，張明玉，曲太旭，等.TA15 鈦合金高溫與室溫拉伸性能的研究 [J]. 熱加工工藝，2023，52 (10)：129-133.

[8] FAN R L，WU Y，CHEN M H，et al.Relationship among microstructure，mechanical properties and texture of TA32 titanium alloy sheets during hot tensile deformation [J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2020，30 (4)：928-943.

[9] 丁屹，李愛國，李賢君，等。熱處理工藝對 8mm 厚 TC4 鈦合金板微觀組織和強(qiáng)度的影響 [J]. 金屬熱處理，2024，49 (7)：261-266.

[10] 馬鑫，孫前江，文超，等。準(zhǔn) β 熱處理工藝對 TC4-DT 鈦合金組織和拉伸性能的影響 [J]. 稀有金屬材料與工程，2023，52 (12)：4260-4267.