引言

鈦及鈦合金因其獨(dú)特的物理化學(xué)特性而成為現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的重要材料,其不僅具有無(wú)磁性、優(yōu)異的生物相容性和出色的耐腐蝕性能,還表現(xiàn)出極佳的韌性[1-2]。即使在極端環(huán)境下,鈦合金仍能保持良好的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性,使其在航空航天、生物醫(yī)療、海洋工程和石油化工等多個(gè)高科技領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。TA15鈦合金是一種近α型鈦合金,該合金除了具有優(yōu)異的高溫性能,還具備良好的耐腐蝕性,在航空航天、海洋工程、石油化工等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[5-6]。

目前關(guān)于TA15鈦合金板材的研究主要集中在薄板和中厚板,例如:張苗等[7]研究了TA15鈦合金中板組織與力學(xué)性能研究;孫夢(mèng)桐等[8]研究了軋制工藝對(duì)TA15鈦合金薄板微觀組織及拉伸力學(xué)性能的影響;張俊祺等[9]研究了TA15鈦合金薄板微觀組織與拉伸性能。

關(guān)于TA15鈦合金厚板(通常指厚度超過(guò)40 mm)的系統(tǒng)性研究鮮有報(bào)道。TA15鈦合金厚板在航空航天、船舶制造等重型裝備領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力,其宏微觀組織、力學(xué)性能與薄板存在顯著差異。故深入開展TA15鈦合金厚板的基礎(chǔ)研究和工程化攻關(guān),不僅能夠填補(bǔ)該材料在厚度方向上的研究空白,完善鈦合金全厚度的理論體系,更能為大型結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)選材和可靠性評(píng)估提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐,對(duì)推動(dòng)高端裝備輕量化發(fā)展具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值與工程意義。

1、試驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)采用厚度為70 mm的TA15鈦合金板材作為研究對(duì)象。首先采用真空自耗電弧熔煉(VAR)配以高純海綿鈦和中間合金為原料,經(jīng)3次熔煉獲得成分均勻的鑄錠,隨后通過(guò)多火次鍛造加工成厚度為250 mm的板坯,隨后通過(guò)軋機(jī)將板坯軋制成厚度為70 mm的板材。采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)對(duì)合金成分進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果如表1所示。

表1 TA15鈦合金板化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

采用鋸床以及線切割方法將TA15鈦合金厚板進(jìn)行加工取樣,取樣位置分別為TA15鈦合金厚板表層及心部位置,組織和力學(xué)性能測(cè)試分別為板材的橫向(T向)和縱向(L向),縱向?yàn)榘宀能堉品较颉Ｎ⒂^組織方面,采用蔡司Axio Observer 7型倒置式金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察,試樣經(jīng)機(jī)械拋光后使用Kroll試劑腐蝕。晶體結(jié)構(gòu)方面,采用型號(hào)為SUPRA 55場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡內(nèi)置的Oxford鏡頭進(jìn)行EBSD測(cè)試。力學(xué)性能方面,采用AG-X 100 kN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸測(cè)試,為保障數(shù)據(jù)可靠性,每組參數(shù)測(cè)試3個(gè)有效試樣,取平均值作為測(cè)試結(jié)果,應(yīng)變速率設(shè)置為1×10?3 s?1。

2、結(jié)果與討論

2.1 微觀組織

圖1為TA15鈦合金厚板表層與心部位置金相組織,發(fā)現(xiàn)板材同一位置橫向(T向)與縱向(L向)組織形貌接近,但表層與心部二者組織形貌差異化較大。雖然表層組織和心部組織均主要由初生α相(位置A)以及次生α相(位置B)構(gòu)成,但心部組織初生α相含量以及次生α相體積較表層組織有明顯增加。

板材在軋制過(guò)程中會(huì)受到壓應(yīng)力,通過(guò)軋輥的壓力使厚度減小,長(zhǎng)度增加。板材表層因?yàn)橹苯优c軋輥接觸,受到較大的剪切應(yīng)力和摩擦力,導(dǎo)致塑性變形更劇烈,且表層金屬流動(dòng)受限較少,容易發(fā)生較大的壓縮和延伸變形[10]。在軋制過(guò)程中,板材心部處于三向壓應(yīng)力狀態(tài),變形阻力較大,且受外層金屬的約束,實(shí)際變形量較小,通常以均勻壓縮為主。在軋制過(guò)程中,表層因劇烈變形和高應(yīng)變速率觸發(fā)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,會(huì)形成細(xì)小晶粒[11]。同時(shí),表層與軋輥接觸后快速散熱,抑制晶粒長(zhǎng)大。而心部變形量較小,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不完全,且高溫環(huán)境持續(xù)較久(冷卻速度慢),會(huì)發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶或晶粒長(zhǎng)大,導(dǎo)致晶粒尺寸較大。

綜上所述,板材心部變形量較小,且冷卻速率較慢,使心部組織中初生α相以及次生α相在軋制過(guò)程以及后續(xù)的冷卻過(guò)程發(fā)生長(zhǎng)大,最終形成圖1(c)與圖1(d)的組織形貌。

2.2 晶體結(jié)構(gòu)

TA15鈦合金厚板表層與心部位置極圖信息如圖2所示,發(fā)現(xiàn)不同位置的極圖類型相近,但同一位置橫向(T向)與縱向(L向)的極圖類型產(chǎn)生較大差異。板材表層橫向位置為R型織構(gòu),板材心部橫向則為近R型織構(gòu),且表層織構(gòu)強(qiáng)度為9.57,較心部織構(gòu)強(qiáng)度6.12更大。板材表層和心部縱向位置都為T型織構(gòu),且表層織構(gòu)強(qiáng)度為7.48,較心部織構(gòu)強(qiáng)度5.3更大。綜上所述,板材表層織構(gòu)強(qiáng)度較心部更高,板材橫向織構(gòu)強(qiáng)度較縱向更高,且板材橫向以R型織構(gòu)為主,而板材縱向以T型織構(gòu)為主。

鈦合金厚板表層位置織構(gòu)強(qiáng)度較心部位置更大,主要是在加工過(guò)程中,表層位置受到的熱輸入和機(jī)械應(yīng)力作用比心部更大,導(dǎo)致表層位置在晶粒形成和生長(zhǎng)過(guò)程中受到的影響更大,從而形成了更強(qiáng)的織構(gòu)強(qiáng)度[12]。此外,表層位置在冷卻過(guò)程中也會(huì)受到更大的熱應(yīng)力,這也會(huì)導(dǎo)致表層織構(gòu)強(qiáng)度的增大。

橫向與縱向織構(gòu)類型不同,是因?yàn)榘宀臋M向與縱向在軋制過(guò)程中受力不同。板材在加工過(guò)程中,橫向的應(yīng)力或載荷分布更顯著,因此橫向的織構(gòu)強(qiáng)度更大[13]。

2.3 力學(xué)性能

TA15鈦合金厚板表層與心部位置的室溫拉伸性能如圖3所示,發(fā)現(xiàn)板材表層位置強(qiáng)度較心部位置更高,但塑性較低。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn),板材同一位置橫向強(qiáng)度較縱向更高,但塑性差異化較小,即板材存在明顯的各向異性。表層與心部橫向抗拉強(qiáng)度最大差值可達(dá)35 MPa,表層與心部縱向抗拉強(qiáng)度最大差值可達(dá)40 MPa。綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn),板材表層位置橫向強(qiáng)度最高,但塑性最低,此時(shí)抗拉強(qiáng)度(Rm)為1 000 MPa,屈服強(qiáng)度(Rp0.2)為910 MPa,斷后伸長(zhǎng)率(A)為16%。

由圖1可知,相比于心部位置,板材表層位置組織中初生α相含量更少,但次生α相含量更多。表層組織中次生α相在塑性變形過(guò)程中能夠有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),從而顯著提升合金的強(qiáng)度。當(dāng)合金受到外力作用時(shí),位錯(cuò)在滑移過(guò)程中需要穿過(guò)彌散分布的次生α相。次生α相尺寸細(xì)小且分布密集,位錯(cuò)難以直接切過(guò),導(dǎo)致局部應(yīng)力集中[14]。同時(shí),位錯(cuò)在繞過(guò)析出相時(shí)會(huì)在其周圍形成位錯(cuò)環(huán),進(jìn)一步增加滑移阻力。隨著拉伸試樣變形量增大,位錯(cuò)在次生α相附近發(fā)生塞積,并在晶界處產(chǎn)生應(yīng)力集中,從而顯著提高合金強(qiáng)度。板材心部位置初生α相含量更多,在拉伸載荷作用下,初生α相因其各向同性的特點(diǎn)能夠同時(shí)激活多個(gè)滑移系,使得塑性變形得以在晶粒間均勻分布。變形首先在體積分?jǐn)?shù)較高的初生α相中啟動(dòng),隨后通過(guò)協(xié)調(diào)變形機(jī)制迅速傳遞至相鄰晶粒[15]。這種多滑移系的協(xié)同作用有效避免了變形局域化現(xiàn)象,顯著降低了局部應(yīng)力集中風(fēng)險(xiǎn)。初生α相含量更高的組織不僅抑制了單個(gè)晶粒內(nèi)過(guò)度滑移導(dǎo)致的損傷累積,還阻礙了微裂紋在晶界處的形核與擴(kuò)展,從而大幅提升了材料的斷后伸長(zhǎng)率。

由圖2可知,板材橫向以及縱向織構(gòu)類型不同,且橫向織構(gòu)強(qiáng)度更大。不同織構(gòu)類型意味著晶粒的特定晶面和晶向相對(duì)于外力方向呈現(xiàn)不同形變。當(dāng)外力方向與易滑移方向一致時(shí),臨界分切應(yīng)力較低,滑移系更易啟動(dòng),導(dǎo)致強(qiáng)度降低;反之則需更高外應(yīng)力才能引發(fā)塑性變形,表現(xiàn)為強(qiáng)度升高,故不同織構(gòu)類型導(dǎo)致板材產(chǎn)生各向異性[16]。此外,在織構(gòu)強(qiáng)度更高的組織中,多數(shù)晶粒取向相近,僅有限滑移系可激活,變形協(xié)調(diào)性差,易產(chǎn)生應(yīng)力集中,進(jìn)而提高強(qiáng)度,即導(dǎo)致板材橫向強(qiáng)度更高。

3、結(jié)論

板材同一位置橫向與縱向的顯微組織形貌相近,但表層與心部組織形貌差異化較大。表層組織和心部組織均主要由初生α相以及次生α相構(gòu)成,但心部組織初生α相含量以及次生α相體積較表層組織有明顯增加。

不同位置的極圖類型相近,橫向與縱向的極圖類型產(chǎn)生較大差異,板材表層織構(gòu)強(qiáng)度較心部更高,板材橫向織構(gòu)強(qiáng)度較縱向更高,且板材橫向以R型織構(gòu)為主,而板材縱向以T型織構(gòu)為主。

板材表層位置強(qiáng)度較心部位置更高,但塑性較低,同一位置橫向強(qiáng)度較縱向更高,但塑性差異化較小,板材存在明顯的各向異性。

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（注，原文標(biāo)題：TA15鈦合金厚板組織與力學(xué)性能研究_王軍）