TA15鈦合金板跨相變點退火的組織與織構演化規律及其對拉伸性能的耦合影響機制

引言

鈦因具有低密度、高強度、優異的耐腐蝕性，以及良好的生物相容性，成為航空航天、軌道交通、醫療器械、化工設備、海洋工程和汽車制造等行業的理想材料[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，該合金焊縫區域的力學性能與母材相當，在復雜結構件的制造中具有優勢，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，便于制造復雜形狀的零部件[3-4]。

目前已有部分學者對TA15鈦合金的退火工藝進行了研究，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性能的影響；曾菁等[6]研究了退火對高Mo當量大型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。雖然已有部分學者對TA15鈦合金的退火工藝進行研究，但目前的退火溫度通常以兩相區溫度為主，且主要研究退火溫度對微觀組織以及力學性能影響，鮮有關于織構方面的研究。

故本文結合目前研究現狀，研究TA15鈦合金經不同溫度區間退火后的組織、織構以及拉伸性能具有重要意義。首先，這不僅能填補相關研究領域的空白，深化對TA15鈦合金熱處理機制的理解，還能為優化其加工工藝提供科學依據；其次，從工程應用的角度來看，了解退火溫度對TA15鈦合金組織、織構及拉伸性能的影響，有助于選擇最佳的熱處理參數，從而提高材料的綜合性能，延長使用壽命，降低生產成本。

1、試驗材料及方法

選用TA15鈦合金板材作為研究材料，相變點為993℃，具體化學成分如表1所示。基于測得的相變點溫度，分別設計兩相區溫度(960℃、980℃)以及單相區溫度(1000℃、1020℃)對TA15鈦合金進行退火處理，退火時間均為2h，具體加熱溫度以及加熱時間參數詳見表2，其中AC代表合金加熱完成后進行室溫冷卻。

表1TA15鈦合金板材成分(質量分數)

表2退火工藝方案

完成退火處理后，對TA15鈦合金進行取樣，分別對其組織以及室溫拉伸性能進行觀察與分析。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)。合金經退火處理后的微觀組織形貌使用OLYMPUS光學顯微鏡來觀察，合金內部組織結構則采用SUPRA55場發射掃描電鏡進行電子背散射衍射(EBSD)測試。在INSTRON萬能試驗機上進行室溫拉伸性能測試，為確保測試結果的準確性和可靠性，從每組工藝中選取3個試樣進行測試，以平均值作為該組工藝的拉伸性能指標。

2、試驗結果與分析

2.1微觀組織

TA15鈦合金經不同溫度退火處理后的微觀組織形貌如圖1所示，發現當經兩相區溫度退火處理后，見圖1(a)和圖1(b)，二者的組織均為雙態組織，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，并伴有一定數量的等軸狀形貌，而次生α相形貌則以細小條狀為主。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相的數量則有明顯增加但體積未出現明顯增大。隨著退火溫度升高，在加熱過程中，組織中發生物相轉變，α相向β相進行轉變，加熱溫度增加則意味著更多的α相向β相進行轉變，導致組織中初生α相含量不斷減少；當加熱完成后，在冷卻過程中β相向α相發生轉變，但冷卻速度較快導致新形成的次生α相來不及生長，最終形成細小條狀形貌。

當合金經單相區溫度退火處理后，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，且在晶粒內部存在細小條狀次生α相。在加熱溫度升高至單相區后，組織中初生α相完全轉變為β相。β相是一種在較高溫度下穩定存在的相，具有更高的原子自由度和較高的擴散速率。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致晶粒的長大，形成粗大的β晶粒。

2.2織構分析

TA15鈦合金經不同溫度退火處理后，其內部組織形貌發生明顯變化，但僅從組織形貌的變化無法深入分析其內部晶體結構的變化，故對經不同溫度退火處理后的合金進行EBSD測試和表征分析。因為鈦合金的晶體結構為密排六方結構，其在塑性變形過程中主要是基面進行滑移，故對基面{0002}晶面的極圖進行分析[8]。

TA15鈦合金經不同溫度退火處理后極圖如圖2所示，發現合金經兩相區溫度退火處理后，二者的極圖有明顯的變化趨勢，退火溫度為960℃時，組織具有明顯的T型織構，在退火溫度升高至980℃時，組織呈現近T型織構，取向集中方向開始發生變化，但發現圖2(a)與圖2(b)中的織構密度變化較小，分別為4.8和5.0。當合金經單相區溫度退火處理后，發現極圖產生明顯變化，此時極圖呈現出明顯的R型織構，且織構密度明顯增加至6.7。隨著退火溫度繼續升高至1020℃時，發現此時的極圖與圖2(c)接近，同樣呈現出典型的R型織構，且織構密度為6.8。

隨著退火溫度的升高，合金內部原子的活動能力增強，更容易遷移和擴散，在退火過程中，組織中會發生物相轉變，在相變過程中，原子重新排列和組合，導致織構類型變化，同時原子的重新分布和組合，使得原子間的間隙減小，從而導致密度增加。

2.3室溫拉伸性能

TA15鈦合金經不同溫度退火處理后的室溫拉伸性能如圖3所示，發現退火溫度為兩相區溫度時，合金強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溫度升至單相區溫度時，合金強度進一步增大，而塑性則出現大幅度降低，當退火溫度達到單相區溫度后，繼續升高退火溫度，合金的強度與塑性未出現明顯的變化。其中在退火溫度為960℃時，合金塑性性能最佳，此時合金的斷后伸長率A為、斷面收縮率Z為；在退火溫度為1020℃時，合金強度達到最大，此時抗拉強度屈服強度R_p0.2為950MPa。

由圖可知，在退火溫度較低時，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，能夠通過各種滑移系進行塑性變形，進而吸收更多的能量，隨著更多的能量被吸收，合金在受到拉伸并產生裂紋擴展時，能夠更加有效地分散應力，延緩裂紋的擴展速度，從而更好地抵抗裂紋的擴展，故此時合金塑性較高[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；當退火溫度為單相區時，初生α相完全消失，導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，細小條狀的次生α相具有細小的尺寸，這表示組織的晶粒得到了細化，晶粒細化能夠增加晶界數量，進而提高材料的抗變形能力，故導致合金強度隨退火溫度升高而增大[10]。

由圖2可知，退火溫度升高會導致組織中織構類型發生變化，當織構類型發生變化時，合金內部的晶粒排列方式和晶界結構會發生變化，進而導致晶粒更加緊密排列，提高合金的密度和均勻性，從而提高其強度，而另一些織構類型可能導致晶粒間的弱連接增多，降低合金的整體強度。結合圖2與圖3可以得出結論，在組織中存在T型織構時，合金抗拉強度最大值為985MPa，當組織中存在R型織構時，合金抗拉強度最大值為1003MPa，即當組織中存在R型織構時，合金強度較高。

3、結論

經兩相區溫度退火處理后的組織為雙態組織，組織中包含初生α相以及次生α相，初生α相形貌呈現塊狀以及等軸狀形貌，次生α相形貌以細小條狀為主。經單相區溫度退火處理后，組織中出現粗大β晶粒以及細小條狀次生α相。

經兩相區溫度退火處理后極圖具有T型織構，織構密度接近；經單相區溫度退火處理后的極圖為R型織構，織構最大密度明顯增加至6.8。

退火溫度為兩相區溫度時，退火溫度升高的過程中，合金強度增大，塑性不斷降低。退火溫度為單相區溫度時，合金強度相比兩相區溫度時更高，塑性則出現大幅度降低。

參考文獻

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