合金成分对TA15钛合金组织及力学性能的影响

隋 楠, 曹京霞, 黄 旭, 高 帆, 谭启明

（中国航发北京航空材料研究院 先进钛合金航空科技重点实验室，北京 100095）

钛合金是理想的抗高速冲击材料，相对于传统的合金钢减重明显，又具有比复合材料更高的抗剪切能力[1]。新一代抗高速冲击结构件追求高速化和小型化，必然引起气动问题，这对钛合金等主要结构材料的耐热性能提出了更高的要求，因此高温钛合金应运而生[2]。TA15钛合金的名义成分为Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，是与俄罗斯研制的BT20钛合金相似的一种高Al当量近α型钛合金[3]，可在450～500 ℃温度范围长期使用。其中，α稳定元素Al的作用是固溶强化，中性元素Zr和β稳定元素Mo和V的作用是提高工艺性。该合金具有中等的室温和高温强度，良好的热稳定性，抗蠕变性，耐腐蚀性以及良好的焊接性能，在航空航天工业中广泛应用，可用于制造各类飞机、发动机及武器装备的结构件[4-7]。

近些年，TA15钛合金凭借其优良的性能在武器装备领域有了更宽广的应用前景，在这些服役条件下的结构件经常会承受高速冲击载荷，要求材料轻质高强、低成本、耐腐蚀且具有良好的韧性和动态力学性能。与目前用于抗高速冲击结构件的TC4钛合金相比，TA15钛合金具有更高的使用温度、更低的密度、更好的强度和塑性匹配及更为优异的动态力学性能，有利于提高结构效率，增强作战能力。无论是准静态还是动态环境下，随着应变率的提高，TA15钛合金屈服强度呈现明显上升的趋势，而在动态环境下的屈服应力可以达到准静态时的1.65倍[8]。钛合金的动态力学性能是其服役性能的一个重要评价标准[9]。

目前，国内外众多学者研究了TA15钛合金在热处理过程中的组织演变规律及其对准静态拉伸性能的影响，很少有人开展合金成分对TA15钛合金组织形态和动态力学性能影响的研究。本研究微调4种合金成分，测试了不同成分TA15钛合金的室温准静态拉伸性能和动态力学性能，分析合金元素、组织参数和力学性能之间的响应关系，为获得兼具较好准静态拉伸性能和动态力学性能的成分和组织提供依据。

1 实验材料及方法

实验材料为采用三次真空自耗电弧熔炼法和两相区变形锻造同种工艺下获得的4种不同成分的φ200 mm TA15钛合金棒材，实测合金成分见表1。合金的相变点为1010～1020 ℃，4种合金采用950 ℃ × 2 h/AC普通退火热处理，冷却过程中，部分次生α相在β相上呈针状析出，得到的显微组织为等轴初生α相基体上分布有一定数量β转变组织的等轴组织，如图1。在Leica金相显微镜与FEI场发射扫描电镜上观察显微组织形貌，并借助金相分析软件定量分析微观组织参数，用不同视场中片状α相平均宽度来表征次生α相宽度，用体积分数来表征初生α相含量。在电子万能拉力试验机上测定室温准静态拉伸性能，在φ14.5 mm分离式霍普金森压杆上测量φ4 mm × 4 mm圆柱体试样在（2700 ± 100）s-1、（3000 ± 100）s-1及临界应变率下的动态力学性能，试验装置可参阅相关文献[10]，其基本原理是将试样放在输入杆和输出杆之间，撞击杆在较高气体压力作用下撞击输入杆，在输入杆中产生一维弹性应力脉冲，弹性波经过试样传到输出杆中，最后由吸收杆捕获。利用粘贴在输入杆和输出杆上的应变片，记录下入射波、反射波、透射波应变脉冲。通过超动态应变仪和瞬态波形存储器可获得试样在一定应变率下的电压-时间曲线，进一步处理得到在此应变率下的真应力-应变曲线。将材料在动态变形过程中的均匀塑性应变、平均流变应力和冲击吸收能作为衡量材料动态力学性能的指标。采用试样发生剪切失效之前所吸收的能量（即冲击吸收能E）来表征材料的动态力学性能[11]，可由式（1）表示：

表1 TA15钛合金成分（质量分数/%）Table1 Compositions of TA15 titanium alloys（mass fraction/%）

图1 4种TA15合金热处理后显微组织Fig.1 Microstructures of 4 kinds of TA15 alloys after heat treatment （a）1#；（b）2#；（c）3#；（d）4#

2 结果与分析

2.1 合金成分的微小变化对合金组织的影响

在金相分析软件上取三次统计结果的平均值，得到4种成分合金的初生α相含量依次为67.82%、69.63%、76.44%、61.41%，计算在5个不同视场下25组数据分别得到片状α相平均宽度依次为0.683 μm、0.695 μm、0.803 μm、0.585 μm，见表2，次生α相形态如图2。对比1#和2#合金，Zr元素含量较高时，初生α相含量减少，次生α相片层宽度较细；对比2#和3#合金，Mo元素含量增加时初生α相含量减少，次生α相片层宽度较细；对比2#和4#合金，Al、V元素含量的增加也降低初生α相含量，具有较细的次生α相片层宽度。总的来看：主合金元素含量最少的3#合金初生α相含量最多，转变β区体积分数最少，次生α相片层宽度最宽；主合金元素含量较高的4#合金成分初生相含量最少，转变β区体积分数最多，次生α相片层宽度最细。

表2 4 种 TA15 合金的微观组织参数Table2 Microstructure parameters of 4 kinds of TA15 alloys

2.2 合金成分的微小变化对合金室温准静态拉伸性能的影响

热处理后合金的室温准静态拉伸性能如表3所示，每组拉伸试样性能为两个试样的平均值。由表3可以发现：对比Zr元素含量不同，其他元素含量基本相同的1#和2#合金，Zr元素含量的少量变化对抗拉强度影响微弱，Zr含量较高、O含量略少的1#合金具有更高的塑性；对比Mo含量不同的2#和3#合金，Mo元素含量较高的2#合金具有更高的强度和较低的塑性；对比V元素含量不同的2#和4#合金，V元素含量较高的4#合金具有更高的强度和较低的塑性。对比3#和4#合金成分，4#合金Al、Mo和V等元素含量均较高，具有最高的抗拉强度和最低的塑性。2#合金中Zr元素含量较低，但杂质元素O的含量略多，在合金范围内，O作为强α稳定元素进入基体晶格间隙，起到固溶强化作用，随着间隙元素含量的增加，有利于提高合金的室温抗拉强度而塑性有所下降[12]，两者的综合作用使2#合金表现出了略高的强度和较低的塑性。实验结果与铝钼当量强度经验公式计算结果（考虑氧元素的差异）一致。综合来看，Zr元素含量对室温抗拉强度性能的影响微弱，随着Al、Mo、V元素含量的增加，合金的强度升高，塑性呈相反规律变化。

图2 4 种 TA15 合金次生α相形态Fig.2 Morphologies of secondary α phase of 4 kinds of TA15 alloys （a)1#；（b）2#；（c）3#；（d）4#

2.3 合金成分的微小变化对合金动态力学性能的影响

TA15钛合金属于热敏感型和应变速率敏感型材料[13]。材料在高应变率条件下的变形由三个相互竞争的因素决定：一是由塑性变形增加而导致的加工硬化效应，二是应变率强化效应，三是由绝热温升而引起的热软化效应[14]。当热软化作用占优时，材料就会发生热塑性失稳[15]。材料压缩后的试样形貌如图3所示，在（2700 ± 100）s-1、（3000 ±100）s-1应变率下，4种合金成分均未发生绝热剪切失效。在临界应变率下，绝热剪切现象刚刚发生，失效方向沿着最大剪应力方向，与圆柱试样轴线成45°。实验得到4种合金成分的临界应变率（）依次为：3350 s-1、3320 s-1、3230 s-1、3400 s-1，临界应变率由大到小依次为4#＞ 1#＞ 2#＞ 3#。图4为不同成分TA15钛合金在（2700 ± 100）s-1、（3000 ± 100）s-1和各自临界应变率下的动态真应力-应变曲线，可以看出TA15钛合金没有明显的屈服现象，由于钛合金的导热性较差，在高应变率下变形时产生明显的变形热效应[16]。结合真应力-应变曲线，按照相关标准进行数据处理，得到合金在（2700 ± 100）s-1、（3000 ± 100）s-1和临界应变率下的平均动态流变应力（σ/MPa），均匀动态塑性应变（ε） 和冲击吸收能（E/（MJ·m-3））数值，见表4。对同一合金，随着应变率的提高，4种合金的均匀塑性应变和冲击吸收能均增加。

表3 4 种 TA15 合金热处理后的拉伸性能Table3 Tensile properties of 4 kinds of TA15 alloys after heat treatment

图3 不同成分TA15钛合金动态压缩后变形特征Fig.3 Deformation characteristics of TA15 titanium alloys with different compositions after dynamic compression （a）（2700 ±100）s-1 and （3000 ± 100）s-1；（b）critical strain rate

图4 不同成分TA15钛合金的真应力-应变曲线Fig.4 True stress-strain curves of TA15 titanium alloys with different compositions （a）（2700 ± 100） s-1；（b）（3000 ± 100） s-1；（c）critical strain rate

表4 不同成分TA15钛合金在（2700 ± 100） s-1、（3000 ± 100） s-1及临界应变率下的 σ、ε 及ETable4 Dynamic strength, dynamic strain and absorbed energy of TA15 titanium alloys with different compositions at （2700 ±100） s-1、（3000 ± 100） s-1 and critical strain rate

采用试样发生剪切失效之前所吸收的能量来表征材料的动态力学性能的优劣，在临界应变率范围内，合金成分的微小变化对动态力学性能影响微弱。在临界应变率，对比Zr元素含量不同其他元素含量基本相同的1#和2#合金，Zr元素含量较高的1#合金具有更高的均匀塑性应变和冲击吸收能；对比Mo含量不同的2#和3#合金，Mo元素含量较高的2#合金具有更高的平均流变应力、均匀塑性应变和冲击吸收能；对比V元素含量不同的2#和4#合金，V元素含量较高的4#合金具有更高的平均流变应力、均匀塑性应变和冲击吸收能。对比3#和4#合金成分，4#合金Al、Mo、V等元素含量均较高，具有最高的动态力学性能。总的来看，随着主合金元素含量的增加，合金的临界应变率提高，具有更加优异的动态力学性能。

2.4 合金成分、显微组织和力学性能间的响应关系

表5汇总了不同成分TA15钛合金的成分特点、组织参数、室温准静态拉伸性能和动态力学性能特征，通过对比分析可以看出：主合金元素含量较高的合金具有较高的强度、较低的塑性及优异的动态力学性能，这是由于Al是α稳定元素，原子以置换方式存在于α相中，能够提高合金的强度。当Al原子呈过饱和状态时，在高温服役条件或长时间保温条件下，基体中会析出脆性的有序相，将使得材料的塑性明显降低[17]。Mo、V是同晶型β稳定元素，具有与β钛相同的体心立方结构，以置换方式在β钛中无限固溶，所产生的晶格畸变较小，在对合金固溶强化的同时能够保持合金良好的塑性。随着固溶元素含量的增加，在晶粒生长过程中对晶界的阻碍作用更为显著，从而使得组织晶粒更为细小，在变形过程中大量的晶界阻碍位错运动，起到细晶强化作用，在强化合金的同时对塑性影响较少[18]。Zr元素有一定的补充强化作用，对合金塑性的不利影响比添加Al元素要小。在动载荷作用下，Mo元素对合金的抗裂纹扩展能力和塑性的贡献较锆、锡、铝大（ Mo ＞ Zr ＞ Sn ＞ Al）[19]，因此可以提高合金的动态力学性能。

随着主合金元素Al、V和Mo含量的增加，初生α相含量减少，转变β区体积分数增多，次生α相片层宽度较细，合金的强度升高，塑性呈相反规律变化。片状β转变组织有利于抵抗裂纹扩展；次生α相片层宽度较细时，两相界面增多，位错滑移阻力增大，位错容易塞积形成应力集中，不利于变形的发生，因而强度升高，塑性下降。中性元素Zr含量的增加也降低了初生α相含量和次生α相片层宽度，相对其他合金元素，Zr元素对初生α相含量、次生α相片层宽度、室温抗拉强度和动态力学性能的影响较小。

在合金的临界应变率范围内，合金成分的微小变化对TA15钛合金动态力学性能影响微弱。然而，随着主合金元素含量的提高，合金的临界应变率提高，平均动态流变应力、均匀动态塑性应变和冲击吸收能均有所增加，动态力学性能提高。从组织参数的角度，对于空冷条件下等轴组织的TA15钛合金，初生α相含量的降低以及较细的次生α相片层宽度有利于室温抗拉强度、临界应变率和动态力学性能的提高。初生α相含量较少时，次生α相含量较多，细小的次生α相片层使裂纹在扩展过程中方向更易发生改变，裂纹扩展的总长度增加，在绝热剪切破坏前能够吸收更多的能量。此外，初生α相更容易沿着剪切应力方向发生大的局域化变形，为绝热剪切失效提供了有利条件。

表5 不同成分TA15钛合金的室温准静态拉伸性能和临界动态力学性能对比Table5 Comparison of quasi-static tensile properties and critical dynamic properties for different compositions of TA15 titanium alloys

3 结论

（1）Zr元素含量对室温抗拉强度性能影响微弱，随着主合金元素Al、V和Mo元素含量的增加，初生α相含量减小，次生α相片层宽度较细，合金的强度提高，塑性下降。Zr含量的增加也降低初生α相含量和次生α相片层宽度，相对其他合金元素，Zr元素对初生α相含量、次生α相片层宽度、室温抗拉强度和动态力学性能的影响较小。

（2）在临界应变率范围内，合金成分的微小变化对动态力学性能的影响微弱。提高主合金元素Al、Zr、V和Mo元素含量，有利于提高合金的临界应变率，且在此临界应变率下具有优异的动态力学性能。

（3）从组织参数来看，对于空冷条件下获得的等轴组织TA15钛合金，初生α相体积分数越小，次生α相片层宽度越细时越有利于室温抗拉强度、临界应变率和动态力学性能的提高。