发布日期：2025-12-10 10:16:45
钛及钛合金凭借其独特的高比强度、无磁性、耐高温以及良好的生物相容性等特质[1-2],已然成为 当今世界范围内极具战略意义的轻质结构材料,广泛应用于航空航天、车辆工程以及化学工程等多个 前沿领域,具有十分良好的应用前景[3]。TA15钛 合金作为典型的近α型钛合金,其名义化学成分为Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V,该合金在保持中等强度水平的 同时,兼具出色的耐蚀性能和优良的焊接特性[4]。特别是其在还原性酸介质和高温氯化物环境中的抗 腐蚀能力,使其成为化工行业耐蚀结构件的理想选 择。此外,该合金的加工成形性能也优于其他同类材料,进一步拓宽了其工业应用范围。
TA15钛合金作为工业应用广泛的重要材料,其性能优化很大程度上依赖于合理的热处理工艺调 控。研究表明[5],热处理过程中的温度参数、保温时 长以及冷却速率等因素会显著影响合金的相组成和 晶粒形貌,从而决定其最终的力学性能表现。当前 学术界对该合金的热处理研究主要聚焦于固溶强化 和常规退火工艺[6-8],而对于其他热处理方式,特别 是随炉冷却这一工艺的系统研究尚未深入展开。
本研究创新性地采用多组温度梯度对TA10钛 合金进行热处理实验,并重点分析在不同随炉冷却 条件下组织性能的演变规律。与传统的快速冷却工 艺相比,随炉冷却具有独特的优势:一方面,缓慢的 冷却速率有助于降低材料内部残余应力,减少变形 和开裂倾向;另一方面,该工艺无需配置专用冷却装 置,可显著降低生产能耗和运营成本。通过系统分 析不同炉冷温度对合金显微组织和拉伸性能的影响 机制,本研究不仅能够完善TA15钛合金的热处理 理论体系,更能为实际生产提供兼具经济性和可靠 性的工艺优化方案。研究成果预期将为该合金在化 工、海洋等苛刻环境中的工程应用提供重要的数据 支撑和工艺指导。
1、试验材料与方法
本实验选用工业级TA15钛合金棒材作为研究 对象,其规格为直径130 mm的热锻棒料。经光谱 分析测定,该材料的化学成分(%)为:Al6.53、Mo 1.73、V2.21、Zr2.21、O0.15、Ti余量。并通过金 相法测定该合金的β相变点为993 ℃。基于测得相 变温度,本研究设计多组热处理温度方案,选取940 ℃、960 ℃、980 ℃和1000 ℃四个特征温度点进行 对比研究。其中940~980 ℃属于(α+β)两相区温 度范围,而1000 ℃则超过相变点进入β单相区。所有试样在达到预定温度后均保持恒温3h以确保 组织均匀化,随后采用随炉冷却(FurnaceCooling,简称FC)方式进行处理。
待热处理完成后,研究热处理后TA15钛合金 的组织 与 力 学 性 能。在 显 微 组 织 分 析 方 面,使 用JSM-6390A型场发射扫描电子显微镜进行组织观 察,试样 经 机 械 研 磨、抛 光 后 采 用 腐 蚀 液(HF∶ HNO3∶H2O=1∶3∶6)腐蚀,随后在相同放大倍 数下 观 察 组 织 形 貌 特 征。力 学 性 能 测 试 在INSTRON型电子万能试验机上进行,依据GB/T 228.1-2021标准加工标准拉伸试样,测试环境温 度为室温,拉伸速率为1 mm/min。拉伸测试完成 后,采用JSM-6390A型场发射扫描电子显微镜对 拉伸断口进行分析,重点分析韧窝形态、解理台阶等 典型断裂特征。
2、试验结果与分析
2.1组织形貌
图1展示了TA15钛合金在不同随炉冷却温度 条件下的显微组织演变规律。在940 ℃两相区处理 时,显微组织呈现典型的等轴组织结构特征,主要由 块状分布的初生α相(位置A)和β转变组织(位置B)组成。进一步观察发现,β转变组织中弥散分布 着少量条状次生α相,组织中次生α相与初生α相 紧密连接。当温度提升至960 ℃时,组织形态发生 显著变化,初生α相体积分数明显降低,同时β转变 组织体积分数增加。在980 ℃温度下,β转变组织 体积分数明显增加,次生α相则以细长的棒状形态 规则排列,在β转变组织中形成有序分布,且初生α相体积分数进一步降低。当温度达到1000 ℃(β单 相区)时,组织发生根本性转变,组织呈现典型的粗 片层β转变组织结构特征,初生α相完全溶解,在组 织中析出连续的晶界α相(位置C),组织中出现β晶粒,其内部析出大量平行排列的α相集束。这些 集束由细长的条状α相组成,呈现典型的魏氏组织 特征,或相互平行排列,或以一定角度交叉分布,形 成复杂的晶体学取向关系。
TA15钛合金在热处理过程中呈现出典型的相 变演化特征。随着加热温度的提升,合金内部发生 渐进式的α→β相变过程。在(α+β)两相区温度范 围内,该转变表现为:部分α相保留原始形态,另一 部分则转变为β相,当温度超过β相变点进入单相 区后,组织完全转变为β相结构。
在冷却过程中,缓慢的炉冷过程为相变提供了充分的热力学条件[9]。由于随炉冷却速率极低,新 形成的次生α相有充足的时间通过扩散机制长大,并与残留的初生α相发生融合。这种扩散控制的相 变过程导致了图1a中观察到的块状α相形貌。随 着加热温度的提高,初生α相体积分数逐渐减少,次 生α相含量相应增加,且次生α相进一步发生长大,最终形成图1c所示的棒状形貌。当温度达到β单 相区时,初始组织完全转变为β相。在随后的炉冷 过程中,α相通过形核-长大机制从β基体中析出,缓慢的冷却速率促使α相沿特定晶体学取向生长,形成图1d中典型的集束状魏氏组织。这种组织特 征表现为平行的α片层群,各组群之间呈现特定的 取向关系[10]。
通过系统的组织分析可以发现,随着热处理温 度的升高,合金的显微组织经历了显著的演变过程,从低温度处理的等轴组织,到中等温度形成的双态 组织,最终发展为高温处理后的粗片层β转变组织。升高而逐步弱化,断后伸长率A从24%显著下降至4%,表明材料在高温炉冷处理后延展性明显降低。
显微组织分析(见图1)表明,随炉冷却温度的 变化会显著改变TA15钛合金的微观结构特征,进 而对其力学性能产生决定性影响。有研究表明[11],初生α相的含量与分布状态是调控钛合金力学行为 的关键因素。当材料中含有较多初生α相时,其塑 性变形能力显著提升,这主要归因于两个机制:首 先,初生α相具有随机取向的晶体学特征,这种多取 向分布使得在拉伸变形过程中能够激活更多的滑移 系。根据Schmid因子理论,不同取向的晶粒可以协 同参与塑性变形,从而提高材料的整体变形协调性。其次,等轴状的初生α相能够通过晶界滑移机制有 效缓解应力集中,延缓裂纹萌生,故随炉冷却温度越 低,组织中初生α相体积分数越多,合金塑性越好。随着炉冷温度的升高,材料经历了明显的组织演变 过程,初生α相含量逐渐减少,而次生α相的比例相 应增加。这种组织变化导致材料的塑性变形能力下 降。除初生α相影响因素外,次生α相通常具有特 定的取向排列,会限制滑移系的激活数量,同时片层 状的组织结构容易产生应力集中,从而降低材料的 整体塑性。
有研究表明[12],次生α相的含量及分布特征对 合金强化效果具有关键影响。从位错理论分析,次 生α相主要通过以下机制提升材料强度:其一,次生α相作为有效的位错障碍物,能够显著阻碍位错运 动;其二,相界面的晶格畸变会产生应力场,与位错 发生弹性交互作用;其三,次生α相与基体间的模量 差异导致位错线张力变化,增加位错运动的阻力。这些机制共同作用导致位错塞积现象,需要更大的 外加应力才能继续塑性变形,故随着随炉冷却温度 升高,合金强度处于不断增加趋势。
综合图1和图2的关联分析可以得出,等轴组 织因具有大量随机取向的初生α相,展现出最优的 塑性但强度最低,粗片层β转变组织由于存在连续 的α相集束,强度最高但塑性最差。
2.3拉伸断口
图3展示了TA15钛合金在不同随炉冷却温度 处理后的拉伸断口形貌特征。在940℃和960℃处 理条件下(见图3a、3b),断口表面呈现典型的韧性 断裂特征,主要由均匀分布的等轴韧窝(位置D)构 成。这些韧窝呈现出明显的尺寸梯度分布特征,部 分大尺寸韧窝内部嵌套着若干小韧窝,形成多级韧窝结构。当处理温度升高至980 ℃时(见图3c),断 口形貌发生显著变化,韧窝密度有所降低,断口表面 出现显著的微裂纹(位置E),这些裂纹主要沿次生α相/β相界面扩展,表明材料的断裂机制开始从纯 韧性断裂向混合型断裂转变。在1000 ℃单相区处 理条件下(见图3d),断口形貌发生根本性转变,主 要表现为:基体断裂特征从韧窝主导型转变为以解 理断裂为主的岩石状形貌;韧窝尺寸显著减小且深 度变浅,呈零星分布状态;微裂纹尺寸显著增加;组 织中解理台阶(位置F)增加明显,是典型脆性断裂 的特征。这种断口形貌的演变充分反映了断裂机制 从韧性断裂向脆性断裂的转变过程。
韧窝形貌特征是评估金属材料塑性变形能力的 重要指标。研究表明[13],韧窝的形成机理与微观空 洞的形核、长大和聚合过程密切相关。当材料中含 有大量尺寸较大的韧窝时,表明其在断裂前经历了显著的塑性变形,这与图2中展示的优异延伸率具有直接对应关系。这种大尺寸韧窝的形成通常需要满足两个条件,一是基体具有足够的塑性变形能力,二是第二相粒子分布均匀且界面结合适中。而断口
呈现的岩石状形貌与粗大β晶粒结构直接相关。在这种组织状态下,裂纹扩展表现出明显的晶体学特征,裂纹优先沿α晶界扩展,这是由于晶界α相与β基体间的界面强度较低;当裂纹遇到β晶粒时,会沿{100}β解理面扩展,形成典型的岩石状特征。
微裂纹和解理台阶的出现是材料强化机制的外在表现。次生α相作为有效的强化相[14],会显著改变裂纹扩展行为,裂纹尖端遇到次生α相时会发生偏转,形成分支裂纹;α/β相界面处的应力集中会诱发微裂纹形核;不同取向的α相集束会导致裂纹扩展阻力增加,形成解理台阶。这些特征共同作用,使得材料在强度提升的同时,断裂机制逐渐从韧性断裂向准解理断裂转变。
3、结论
(1)随炉冷却温度会调控 TA15钛合金的相组成演变。随着温度升高,组织由等轴组织转变为粗片层β转变组织,即初生α相含量随温度升高线性减少,而次生α相呈指数增长,特别在980 ℃以上,相变速率显著加快。
(2)随着炉冷温度从 940 ℃ 逐步提升至 1000℃,材料表现出明显的强化效应,抗拉强度R m 从初始的920 MPa持续增长至 970 MPa,增幅达到 50MPa;屈服强度R p0.2也呈现相似的变化趋势,由810MPa上升至861 MPa,增加了 51 MPa。与强度指标的提升相对应的是,材料的塑性变形能力随温度升高而逐步弱化。断后伸长率 A 从24%显著下降至4%。
(3)在两相区温度范围内,材料表现出典型的韧性断裂特征,断口表面布满均匀分布的等轴韧窝。当温度进入单相区后,断裂机制发生显著转变,韧窝密度逐渐降低,断口呈现以解理断裂为主的岩石状形貌,并伴随大量解理台阶。
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（注，原文标题：不同随炉冷却温度对TA15钛合金组织与力学性能的影响）
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