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當量的近α型鈦合金，其合金具有中等的室溫和高溫強度，良好的焊接性能和工藝塑性，在有溫度要求的飛機結構件和發動機葉片、機匣及鈑金件的制造方面具有廣泛的應用（TA15薄板用于航空發動機機匣，厚板用于大截面構件）［1-３］。TA15鈦合金作為近α型合金，其組織和力學性能對熱處理工藝參數變化不敏感，因此熱變形工藝參數的選擇就顯得尤為重要，如何制定嚴格的熱成形工藝方案以控制微觀結構的演變進而獲得理想的性能是面臨的主要問題。基于微觀結構的控制優化材料性能，主要涉及微觀組織結構和物相組成等方面。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律及其對性能的影響，TA15在兩相區熱處理時獲得雙態和等軸組織，在β相區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［5］認為，對于薄板而言，提高退火溫度材料強度降低，塑性提高，而對厚板這種現象不明顯，熱處理參數的變化對TA15鈦合金板材的顯微組織影響不大.文獻［6-7］研究表明，雙重熱處理過程中一次保溫時間對等軸初生α_p相形貌及分布等影響較大；二次保溫時間對α_ｓ相形貌、尺寸等具有顯著影響。文獻［8］研究了基于模擬軋制工藝對TA15組織及性能的影響.基于熱加工條件下組織演變規律對力學性能的影響研究較少，而瞄準TA15合金寬幅板材工業化生產，在加工成型過程中板材組織及其對最終加工成型板材性能的影響還未開展深入的研究工作。

文中結合TA15合金寬幅板材的實際工業生產線工藝，研究工業化生產工藝條件下TA15合金板材的組織形態及其對力學性能的影響，研究疲勞斷裂特征，以期相關研究能為從事相關工作的人員提供一定的參考。

1、材料與方法

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

在MTS370液壓萬能試驗機和高頻疲勞試驗機測試材料的拉伸和疲勞性能，并利用光學顯微鏡和JSM-6460掃描電鏡觀察板材的組織結構及物相組成，并對疲勞試樣的斷口進行了觀察分析。

2、試驗結果與分析

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組織由初生α相和β轉變組織組成。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相為長條狀，這是由于在軋制過程中，橫向組織受到垂直方向的壓力，導致初生α相受到擠壓變形并產生一定的方向性。

圖３為TA15板材的電子背散射衍射（Ｅｌｅｃ-ｔｒｏｎＢａｃｋＳｃａｔｔｅｒｅｄＤｉｆｆｒａｃTiｏｎ，ＥＢＳＤ）相圖，其中不同襯度的區域晶格結構不同.與金相組織分析結果相同，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中的黑點為數據掃描過程中出現的無效點。

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，測試了室溫下光滑試樣的高周疲勞性能，疲勞試驗在室溫大氣中進行，試驗波形為正弦波，頻率為117Hz，應力比犚＝０.1，根據升降法確定材料的疲勞極限.本試驗所選取的最大應力分別為625MPa，640MPa，645MPa，650MPa，675MPa，750MPa和800MPa，每一級應力選取2根試樣，取2根試樣結果的算數平均值作為該應力下的疲勞壽命［9-10］.結果表明試樣在σｍａｘ≤6４5MPa時，試樣經1０7次循環均未斷裂，故材料的疲勞極限為6４5MPa.由試樣在上述不同應力下的疲勞壽命結果可以得到TA15板的應力S-循環數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力下的宏觀斷口形貌.由圖5可以看出，在不同應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Ⅰ、裂紋擴展區Ⅱ和瞬斷區Ⅲ３個不同區域組成，并且疲勞裂紋源均萌生于樣品表面.但是不同應力水平下疲勞斷口中，裂紋擴展區Ⅱ在整個斷口所占比例有所不同，圖5（ａ）（8００MPa）中裂紋擴展區所占比例最小，圖5（ｃ）（65０MPa）中裂紋擴展區所占比例最大，即TA15在疲勞試驗中，隨著應力水平的降低裂紋擴展區所占比例增加。

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

３、結論

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組織，由初生α相和β轉變組織組成，橫向及軋面的初生α相形態有一定的差異。

2）采用升降法利用高頻疲勞試驗機得到了在應力比R＝０.1時，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，宏觀斷口形貌呈現典型的三個區域，即裂紋源區Ⅰ、裂紋擴展區Ⅱ和瞬斷區Ⅲ.各區域斷口微觀特征分別為裂紋源區主要呈現為沿晶的解理斷口，裂紋擴展區觀察到明顯的疲勞輝紋，瞬斷區則出現大量韌窩并表現出穿晶斷裂的斷口形貌.同時，對比不同應力條件下的疲勞斷口，可以發現隨著應力強度的降低，裂紋擴展區面積逐漸增加。

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