TA15鈦合金棒材常規(guī)熱處理與冷卻速率

TA15鈦合金是20世紀(jì)60至70年代前蘇聯(lián)開發(fā)的一種鈦合金，牌號為BT20,名義成分為Ti-6.5αl-1Mo-1V-2Zr。該合金主要的強(qiáng)化機(jī)制是通過α穩(wěn)定元素αl的固溶強(qiáng)化，屬于高αl當(dāng)量的近α型鈦合金。該合金既具有α型鈦合金良好的熱強(qiáng)性和可焊性，又具有接近于α+β型鈦合金的工藝塑性，是一種綜合性能優(yōu)良的鈦合金，在航天航空等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，是國內(nèi)最成熟、應(yīng)用最廣泛的鈦合金之一。TA15鈦合金相轉(zhuǎn)變溫度一般在980°C?1020°C,通常在普通退火狀態(tài)下使用，一般認(rèn)為不能通過熱處理對其進(jìn)行強(qiáng)化，但在退火態(tài)合金中β相含量為5?7%,同TC4合金中(β相含量8?10%比較接近，可見TA15合金存在熱處理強(qiáng)化的可能性。通常的技術(shù)規(guī)范推薦TA15合金的退火制度為700°C?850°C(空冷），生產(chǎn)中常用退火制度為800°C?850°C(空冷）。本文研究生產(chǎn)中常用（α+β)區(qū)不同退火溫度、不同冷卻速率交互作用下對TA15鈦合金室溫力學(xué)性能的影響。

1、實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料：實(shí)驗(yàn)所用材料是湖南金天鈦業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的規(guī)格為0300mmTA15鈦合金棒材，其化學(xué)成分如表1。用金相法測得相轉(zhuǎn)變點(diǎn)（α+β/0)為995°C。

實(shí)驗(yàn)方法：①實(shí)驗(yàn)材料用線切割方法制取014mm和10x10mm試樣若干，分別在800°C/2h和850°C/2h條件下進(jìn)行熱處理，冷卻方式分別為室溫20°C空氣中冷卻；②實(shí)驗(yàn)材料截取厚度為20mm鈦棒材，分別在800°C/2h和850°C/2h條件下進(jìn)行整體熱處理，用線切割方法制取①14mm和10x10mm試樣若干。然后機(jī)加成標(biāo)準(zhǔn)GB/T228中R7試樣，在UTM5205電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫力學(xué)性能的檢測，并在金相顯微鏡下觀察其橫向低倍組織。

2、結(jié)果與分析

2.1室溫力學(xué)性能與兩個溫度及冷卻方式的關(guān)系

TA15鈦合金在不同溫度和不同冷卻速率下的力學(xué)性能變化

總體來說：在（α+β)區(qū)相同的熱處理制度下，TA15合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率變化不大，屈服強(qiáng)度、斷面收縮率和沖擊韌性隨冷卻速率降低而提高明顯；而在相同的冷卻速率下，隨著退火溫度的升高，TA15合金的抗拉強(qiáng)度提高幅度較大，屈服強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率和沖擊韌性則變化不大。

曾有研究不同的退火熱處理制度對TA15合金顯微組織、室溫拉伸性能、高溫拉伸性能、室溫沖擊韌性及硬度的影響。

(1)在相變點(diǎn)以下溫度退火，TA15合金的室溫、高溫?cái)嗔褟?qiáng)度在860°C時(shí)出現(xiàn)峰值，而室溫塑性、高溫?cái)嗝媸湛s率和室溫沖擊韌性則隨著退火溫度的升高而提高。（2)TA15合金室溫沖擊韌性和硬度具有一定的對應(yīng)（反比）關(guān)系。（3)提高退火溫度也可以提高鈦棒材試樣的沖擊值，沖擊性能的提高幅度與材料原始組織和性能有關(guān)。

2.2熱處理和冷卻方式對組織結(jié)構(gòu)的影響

已有的研究表明，在TA15合金相變點(diǎn)下較低溫度范圍內(nèi)進(jìn)行退火得到等軸組織。對熱加工態(tài)的TA15鈦合金進(jìn)行650?950°C溫度范圍內(nèi)退火，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在較低的溫度進(jìn)行退火對合金組織影響不大，基本保留熱加工時(shí)的組織形態(tài)，只是3轉(zhuǎn)含量不同[3]。在800°C和840°C熱處理制度和不同冷卻速率下，組織結(jié)構(gòu)沒有太多改變，基本保留熱加工時(shí)的組織形態(tài)。

(1)TA15鈦合金雖然是近α鈦合金，但可以進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。

(2)在800°C?850°C熱處理時(shí)，同一溫度下，抗拉強(qiáng)度和延伸率變化不大，屈服強(qiáng)度、斷面收縮率和沖擊韌性隨冷卻速率降低而提高明顯；而在相同的冷卻速率下，隨著退火溫度的升高，TA15合金棒的抗拉強(qiáng)度提高幅度較大，屈服強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率和沖擊韌性則變化不大。

(3)800°C?850°C熱處理溫度下，不同的冷卻速率對組織結(jié)構(gòu)的影響不大。