国内外TA15钛合金板材微观组织及疲劳性能研究

TA15钛合金的名义成分为 Ti -6.5Al -2Zr-1Mo-1V ， TA15 钛合金属于高 Al 当量的近 α 型钛合[1-3]。TA15钛合金作为近α 型合金，其组织和力学性能对热处理工艺参数变化不敏感，因此热变形工艺参数的选择就显得尤为重要，如何制定严格的热成形工艺方案以控制微观结构的演变进而获得理想的性能是面临的主要问题。基于微观结构的控制优化材料性能，主要涉及微观组织结构和物相组成等方面 . 目前，大量的 TA15钛合金研究主要集中在不同热加工条件下微观显微组织演变规律及其对性能的影响， TA15 在两相区热处理时获得双态和等轴组织，在 β 相区热处理获得魏氏组织，冷却速率决定 α 片层和 α 集束的尺寸[4] 。文献[[5]认为，对于薄板而言，提高退火温度材料强度降低，塑性提高，而对厚板这种现象不明显，热处理参数的变化对 TA15钛合金板材的显微组织影响不大 . 文献[6-7]研究表明，双重热处理过程中一次保温时间对等轴初生α_p相形貌及分布等影响较大;二次保温时间对 α s 相形貌、尺寸等具有显著影响 . 文 献[8]研究了基于模拟轧制工艺对TA15组织及性能的影响 。基于热加工条件下组织演变规 律对力学性 能的影响研 究较少，而瞄准TA15合金宽幅板材工业化生产，在加工成型过程中板材组织及其对最终加工成型板材性能的影响还未开展深入的研究工作 。文中结合TA15钛板的实际工业生产线工艺，研究工业化生产工艺条件下TA15合金板材的组织形态及其对力学性能的影响，研究疲劳断裂特征，以期相关研究能为从事相关工作的人员提供一定的参考 。

1、材料与方法

TA15 合金经 1 个火次轧制 (轧制温度 9３0℃ )获得 δ 27mm 厚板材，其加工过程如图 1 所示 .在 MTS370液压万能试验机和高频疲劳试验机测试材料的拉伸和疲劳性能，并利用光学显微镜和JSM-6460 扫描电镜观察板材的组织结及物相组成，并对疲劳试样的断口进行了观察分析。

2、试验结果与分析

2.1 微观组织

图 2 为TA15钛板的显微组织，橫向及轧面组织均为典型的双态组织由初生 α 相和 β 转变组织组成 . 由图 2 可以看到，横向及轧面组织也有一定的区别:轧面组织的初生 α 相近似等轴，晶粒尺寸为25~４5 μ m (图 2 ( a ))，而横向组织中的初生 α 相有明显的方向性，初生 α 相为长条状，这是由于在轧制过程中，横向组织受到垂直方向的压力，导致初生 α 相受到挤压变形并产生一定的方向性 。

图 ３ 为 TA15 板材的电子背散射衍射( Elec -tronBackScatteredDiffraction ， EBSD )相图，其中不同衬度的区域晶格结构不同 . 与金相组织分析结果相同，显微组织由 α 相和 β 相组成，初生及次生 α相所占比例较高，β 相所占比例较低 .图 ３ 中的黑点为数据扫描过程中出现的无效点。

2.2 疲劳性能

在轧制后的TA15钛板材，切取试样毛坯，加工成杯状光滑疲劳试样，测试了室温下光滑试样的高周疲劳性能，疲劳试验在室温大气中进行，试验波形为正弦波，频率为 117Hz ，应力比 R =0.1 ，根据升降法确定材料的疲劳极限 . 本试验所选取的最大应力 分 别 为 625MPa ， 6４0MPa ， 6４5MPa ， 650MPa ， 675MPa ， 750MPa 和 800MPa ，每一级应力选取 2 根试样，取 2 根试样结果的算数平均值作为该应力下的疲劳寿命 [9-10 ]。

结果表明试样在 σ max ≤6４5MPa 时，试样经 107 次循环均未断裂，故材料的疲劳极限为 6４5MPa。由试样在上述不同应力下的疲劳寿命结果可以得到 TA15 板的应力 S - 循环。

2.３ 疲劳断口形貌

图 5 为样品在不同加载应力下的宏观断口形貌 . 由图 5 可以看出，在不同应力水平下疲劳试样低倍断口总体特征相同，断口均由裂纹源区 Ⅰ 、裂纹扩展区 Ⅱ 和瞬断区 Ⅲ３ 个不同区域组成，并且疲劳裂纹源均萌生于样品表面 . 但是不同应力水平下疲劳断口中，裂纹扩展区 Ⅱ 在整个断口所占比例有所不同，图 5 ( a )( 800MPa )中裂纹扩展区所占比例最小，图 5 ( c )( 650MPa )中裂纹扩展区所占比例最大，即 TA15 在疲劳试验中，随着应力水平的降低裂纹扩展区所占比例增加。

图 6 为同一应力水平下试样的断口形貌图(最大应力为 750MPa )，图 6 ( a )为断口宏观形貌，如图 6 ( b ) ~ ( d )分别为疲劳源、裂纹扩展区和瞬断区的显微形貌 . 由图 6 ( b )可以观察到裂纹源区的微观形貌呈现解理和沿晶断口的特征，在图 6 ( c )裂纹扩展区可以观察到明显的疲劳辉纹，同时瞬断区呈现出韧窝和穿晶混合断口特征。

３、结 论

1 )由板材的金相显微组织图及 EBSD 相图的物相分析表明: TA15钛板材橫向及轧面组织均为典型的双态组织，由初生 α 相和 β 转变组织组成，横向及轧面的初生 α 相形态有一定的差异。

2 )采用升降法利用高频疲劳试验机得到了在应力 比 R = 0.1 时， TA15 板 材 的 疲 劳 极 限 为6４5MPa。

3）由疲劳断口可以观察到疲劳裂纹萌生于试样表面，宏观断口形貌呈现典型的三个区域，即裂纹源区 Ⅰ 、裂纹扩展区 Ⅱ 和瞬断区 Ⅲ. 各区域断口微观特征分别为裂纹源区主要呈现为沿晶的解理断口，裂纹扩展区观察到明显的疲劳辉纹，瞬断区则出现大量韧窝并表现出穿晶断裂的断口形貌。 同时，对比不同应力条件下的疲劳断口，可以发现随着应力强度的降低，裂纹扩展区面积逐渐增加 。

参考文献

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