TA15鈦合金板材微觀組織及疲勞性能研究

TA15鈦合金的名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，TA15鈦合金屬于高Al當(dāng)量的近α型鈦合金，其合金具有中等的室溫和高溫強(qiáng)度，良好的焊接性能和工藝塑性，在有溫度要求的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件和發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、機(jī)匣及鈑金件的制造方面具有廣泛的應(yīng)用（TA15薄板用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣，厚板用于大截面構(gòu)件）［1-３］。TA15鈦合金作為近α型合金，其組織和力學(xué)性能對(duì)熱處理工藝參數(shù)變化不敏感，因此熱變形工藝參數(shù)的選擇就顯得尤為重要，如何制定嚴(yán)格的熱成形工藝方案以控制微觀結(jié)構(gòu)的演變進(jìn)而獲得理想的性能是面臨的主要問(wèn)題。基于微觀結(jié)構(gòu)的控制優(yōu)化材料性能，主要涉及微觀組織結(jié)構(gòu)和物相組成等方面。目前，大量的TA15鈦合金研究主要集中在不同熱加工條件下微觀顯微組織演變規(guī)律及其對(duì)性能的影響，TA15在兩相區(qū)熱處理時(shí)獲得雙態(tài)和等軸組織，在β相區(qū)熱處理獲得魏氏組織，冷卻速率決定α片層和α集束的尺寸［４］。文獻(xiàn)［5］認(rèn)為，對(duì)于薄板而言，提高退火溫度材料強(qiáng)度降低，塑性提高，而對(duì)厚板這種現(xiàn)象不明顯，熱處理參數(shù)的變化對(duì)TA15鈦合金板材的顯微組織影響不大.文獻(xiàn)［6-7］研究表明，雙重?zé)崽幚磉^(guò)程中一次保溫時(shí)間對(duì)等軸初生α_p相形貌及分布等影響較大；二次保溫時(shí)間對(duì)α_ｓ相形貌、尺寸等具有顯著影響。文獻(xiàn)［8］研究了基于模擬軋制工藝對(duì)TA15組織及性能的影響.基于熱加工條件下組織演變規(guī)律對(duì)力學(xué)性能的影響研究較少，而瞄準(zhǔn)TA15合金寬幅板材工業(yè)化生產(chǎn)，在加工成型過(guò)程中板材組織及其對(duì)最終加工成型板材性能的影響還未開(kāi)展深入的研究工作。

文中結(jié)合TA15合金寬幅板材的實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)線工藝，研究工業(yè)化生產(chǎn)工藝條件下TA15合金板材的組織形態(tài)及其對(duì)力學(xué)性能的影響，研究疲勞斷裂特征，以期相關(guān)研究能為從事相關(guān)工作的人員提供一定的參考。

1、材料與方法

TA15合金經(jīng)1個(gè)火次軋制（軋制溫度930℃）獲得δ27mm厚板材，其加工過(guò)程如圖1所示。

在MTS370液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)測(cè)試材料的拉伸和疲勞性能，并利用光學(xué)顯微鏡和JSM-6460掃描電鏡觀察板材的組織結(jié)構(gòu)及物相組成，并對(duì)疲勞試樣的斷口進(jìn)行了觀察分析。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1微觀組織

圖2為TA15鈦板的顯微組織，橫向及軋面組織均為典型的雙態(tài)組織由初生α相和β轉(zhuǎn)變組織組成。由圖2可以看到，橫向及軋面組織也有一定的區(qū)別：軋面組織的初生α相近似等軸，晶粒尺寸為25～４5μｍ（圖2（ａ）），而橫向組織中的初生α相有明顯的方向性，初生α相為長(zhǎng)條狀，這是由于在軋制過(guò)程中，橫向組織受到垂直方向的壓力，導(dǎo)致初生α相受到擠壓變形并產(chǎn)生一定的方向性。

圖３為TA15板材的電子背散射衍射（Ｅｌｅｃ-ｔｒｏｎＢａｃｋＳｃａｔｔｅｒｅｄＤｉｆｆｒａｃTiｏｎ，ＥＢＳＤ）相圖，其中不同襯度的區(qū)域晶格結(jié)構(gòu)不同.與金相組織分析結(jié)果相同，顯微組織由α相和β相組成，初生及次生α相所占比例較高，β相所占比例較低.圖３中的黑點(diǎn)為數(shù)據(jù)掃描過(guò)程中出現(xiàn)的無(wú)效點(diǎn)。

2.2疲勞性能

在軋制后的TA15板材，切取試樣毛坯，加工成杯狀光滑疲勞試樣，測(cè)試了室溫下光滑試樣的高周疲勞性能，疲勞試驗(yàn)在室溫大氣中進(jìn)行，試驗(yàn)波形為正弦波，頻率為117Hz，應(yīng)力比犚＝０.1，根據(jù)升降法確定材料的疲勞極限.本試驗(yàn)所選取的最大應(yīng)力分別為625MPa，640MPa，645MPa，650MPa，675MPa，750MPa和800MPa，每一級(jí)應(yīng)力選取2根試樣，取2根試樣結(jié)果的算數(shù)平均值作為該應(yīng)力下的疲勞壽命［9-10］.結(jié)果表明試樣在σｍａｘ≤6４5MPa時(shí)，試樣經(jīng)1０7次循環(huán)均未斷裂，故材料的疲勞極限為6４5MPa.由試樣在上述不同應(yīng)力下的疲勞壽命結(jié)果可以得到TA15板的應(yīng)力S-循環(huán)數(shù)N曲線，如圖４所示。

2.3 疲勞斷口形貌

圖5為樣品在不同加載應(yīng)力下的宏觀斷口形貌.由圖5可以看出，在不同應(yīng)力水平下疲勞試樣低倍斷口總體特征相同，斷口均由裂紋源區(qū)Ⅰ、裂紋擴(kuò)展區(qū)Ⅱ和瞬斷區(qū)Ⅲ３個(gè)不同區(qū)域組成，并且疲勞裂紋源均萌生于樣品表面.但是不同應(yīng)力水平下疲勞斷口中，裂紋擴(kuò)展區(qū)Ⅱ在整個(gè)斷口所占比例有所不同，圖5（ａ）（8００MPa）中裂紋擴(kuò)展區(qū)所占比例最小，圖5（ｃ）（65０MPa）中裂紋擴(kuò)展區(qū)所占比例最大，即TA15在疲勞試驗(yàn)中，隨著應(yīng)力水平的降低裂紋擴(kuò)展區(qū)所占比例增加。

圖6為同一應(yīng)力水平下試樣的斷口形貌圖（最大應(yīng)力為75０MPa），圖6（ａ）為斷口宏觀形貌，如圖6（ｂ）～（ｄ）分別為疲勞源、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)的顯微形貌.由圖6（ｂ）可以觀察到裂紋源區(qū)的微觀形貌呈現(xiàn)解理和沿晶斷口的特征，在圖6（ｃ）裂紋擴(kuò)展區(qū)可以觀察到明顯的疲勞輝紋，同時(shí)瞬斷區(qū)呈現(xiàn)出韌窩和穿晶混合斷口特征。

３、結(jié)論

1）由板材的金相顯微組織圖及EBSD相圖的物相分析表明：TA15鈦合金板材橫向及軋面組織均為典型的雙態(tài)組織，由初生α相和β轉(zhuǎn)變組織組成，橫向及軋面的初生α相形態(tài)有一定的差異。

2）采用升降法利用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)得到了在應(yīng)力比R＝０.1時(shí)，TA15板材的疲勞極限為645MPa。

３）由疲勞斷口可以觀察到疲勞裂紋萌生于試樣表面，宏觀斷口形貌呈現(xiàn)典型的三個(gè)區(qū)域，即裂紋源區(qū)Ⅰ、裂紋擴(kuò)展區(qū)Ⅱ和瞬斷區(qū)Ⅲ.各區(qū)域斷口微觀特征分別為裂紋源區(qū)主要呈現(xiàn)為沿晶的解理斷口，裂紋擴(kuò)展區(qū)觀察到明顯的疲勞輝紋，瞬斷區(qū)則出現(xiàn)大量韌窩并表現(xiàn)出穿晶斷裂的斷口形貌.同時(shí)，對(duì)比不同應(yīng)力條件下的疲勞斷口，可以發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)力強(qiáng)度的降低，裂紋擴(kuò)展區(qū)面積逐漸增加。

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