引言

钛脊合金因其怪异的物理化学个性而成为现代工业中不成或缺的沉要资料,其不仅拥有无磁性、优异的生物相容性和杰出的耐侵蚀机能,还阐发出极佳的韧性[1-2]。即便在极端环境下,钛合金仍能维持优良的力学机能和化学不变性,使其在航空航天、生物医疗、海洋工程和石油化工等多个高科技领域得到了宽泛利用[3-4]。TA15钛合金是一种近α型钛合金,该合金除了拥有优异的高温机能,还具备优良的耐侵蚀性,在航空航天、海洋工程、石油化工等工业领域利用宽泛[5-6]。

目前关于TA15钛合金板材的钻研重要集中在薄板和中厚板,例如:张苗等[7]钻研了TA15钛合金中板组织与力学机能钻研;孙梦桐等[8]钻研了轧造工艺对TA15钛合金薄板微观组织及拉伸力学机能的影响;张俊祺等[9]钻研了TA15钛合金薄板微观组织与拉伸机能。

关于TA15钛合金厚板(通常指厚度超过40 mm)的系统性钻研鲜有报路。TA15钛合金厚板在航空航天、船舶造作等沉型设备领域拥有沉要的利用潜力,其宏微观组织、力学机能与薄板存在显著差距。故深刻发展TA15钛合金厚板的基础钻研和工程化攻关,不仅可能添补该资料在厚度方向上的钻研空缺,美满钛合金全厚度的理论系统,更能为大型结构件的设计选材和靠得住性评估提供关键数据支持,对推动高端设备轻量化发展拥有沉要的学术价值与工程意思。

1、试验资料与步骤

本试验选取厚度为70 mm的TA15钛合金板材作为钻研对象。首先选取真空自耗电弧熔炼(VAR)配以高纯海绵钛和中央合金为原料,经3次熔炼获得成吩旖均的铸锭,随后通过多火次铸造加工成厚度为250 mm的板坯,随后通过轧机将板坯轧造成厚度为70 mm的板材。选取电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)对合金成分进行测定,了局如表1所示。

表1 TA15钛合金板化学成分(质量分数) %

选取锯床以及线切割步骤将TA15钛合金厚板进行加工取样,取样地位别离为TA15钛合金厚板表层及心部地位,组织和力学机能测试别离为板材的横向(T向)和纵向(L向),纵向为板材轧造方向。微观组织方面,选取蔡司Axio Observer 7型颠倒式金相显微镜进行显微组织观察,试样经机械抛光后使用Kroll试剂侵蚀。晶体结构方面,选取型号为SUPRA 55场发射扫描电镜内置的Oxford镜头进行EBSD测试。力学机能方面,选取AG-X 100 kN电子全能试验机进行室温拉伸测试,为保险数据靠得住性,每组参数测试3个有效试样,取均匀值作为测试了局,应变速度设置为1×10?? s??。

2、了局与会商

2.1 微观组织

图1为TA15钛合金厚板表层与心部地位金相组织,发现板材统一地位横向(T向)与纵向(L向)组织描摹靠近,但表层与心部二者组织描摹差距化较大。固然表层组织和心部组织均重要由初生α相(地位A)以及次生α相(地位B)组成,但心部组织初生α相含量以及次生α相体积较表层组织有显著增长。

板材在轧造过程中会受到压应力,通过轧辊的压力使厚度减幼,长度增长。板材表层由于直接与轧辊接触,受到较大的剪切应力和摩擦力,导致塑性变形更剧烈,且表层金属流动受限较少,容易产生较大的压缩和延长变形[10]。在轧造过程中,板材心部处于三向压应力状态,变形阻力较大,且受表层金属的约束,现实变形量较幼,通常以均匀压缩为主。在轧造过程中,表层因剧烈变形和高应变速度触发起态再结晶,会形成藐幼晶粒[11]。同时,表层与轧辊接触后急剧散热,抑造晶粒长大。而心部变形量较幼,动态再结晶不齐全,且高温环境持续较久(冷却速度慢),会产生静态再结晶或晶粒长大,导致晶粒尺寸较大。

综上所述,板材心部变形量较幼,且冷却速度较慢,使心部组织中初生α相以及次生α相在轧造过程以及后续的冷却过程发成长大,最终形成图1(c)与图1(d)的组织描摹。

2.2 晶体结构

TA15钛合金厚板表层与心部地位极图信息如图2所示,发现分歧地位的极图类型相近,但统一地位横向(T向)与纵向(L向)的极图类型产生较大差距。板材表层横向地位为R型织构,板材心部横向则为近R型织构,且表层织构强度为9.57,较心部织构强度6.12更大。板材表层和心部纵向地位都为T型织构,且表层织构强度为7.48,较心部织构强度5.3更大。综上所述,板材表层织构强度较心部更高,板材横向织构强度较纵向更高,且板材横向以R型织构为主,而板材纵向以T型织构为主。

钛合金厚板表层地位织构强度较心部地位更大,重要是在加工过程中,表层地位受到的热输入和机械应力作用比心部更大,导致表层地位在晶粒形成和成长过程中受到的影响更大,从而形成炼强的织构强度[12]。此表,表层地位在冷却过程中也会受到更大的扰爪力,这也会导致表层织构强度的增大。

横向与纵向织构类型分歧,是由于板材横向与纵向在轧造过程中受力分歧。板材在加工过程中,横向的应力或载荷散布更显著,因而横向的织构强度更大[13]。

2.3 力学机能

TA15钛合金厚板表层与心部地位的室温拉伸机能如图3所示,发现板材表层地位强度较心部地位更高,但塑性较低。进一步观察发现,板材统一地位横向强度较纵向更高,但塑性差距化较幼,即板材存在显著的各向异性。表层与心部横向抗拉强度最大差值可达35 MPa,表层与心部纵向抗拉强度最大差值可达40 MPa。综合对比发现,板材表层地位横向强度最高,但塑性最低,此时抗拉强度(Rm)为1 000 MPa,屈服强度(Rp0.2)为910 MPa,断后伸长率(A)为16%。

由图1可知,相迸宗心部地位,板材表层地位组织中初生α相含量更少,但次生α相含量更多。表层组织中次生α相在塑性变形过程中可能有效故障位错活动,从而显著提升合金的强度。当合金受到表力作用时,位错在滑移过程中必要穿过弥散散布的次生α相。次生α相尺寸藐幼且散布密集,位错难以直接切过,导致部门应力集中[14]。同时,位错在绕过析出相时会在其周围形成位错环,进一步增长滑移阻力。随着拉伸试样变形量增大,位错在次生α相左近产生塞积,并在晶界处产生应力集中,从而显著提高合金强度。板材心部地位初生α相含量更多,在拉伸载荷作用下,初生α相因其各向同性的特点可能同时激活多个滑移系,使得塑性变形得以在晶粒间均匀散布。变形首先在体积分数较高的初生α相中启动,随后通过协调变形机造迅速传递至相邻晶粒[15]。这种多滑移系的协同作用有效预防了变形局域化景象,显著降低终部门应力集中风险。初生α相含量更高的组织不仅抑造了单个晶粒内过度滑移导致的危险累积,还故障了微裂纹在晶界处的形核与扩大,从而大幅提升了资料的断后伸长率。

由图2可知,板材横向以及纵向织构类型分歧,且横向织构强度更大。分歧织构类型意味着晶粒的特定晶面和晶向相对于表力方向出现分歧形变。当表力方向与易滑移方向一致时,临界分切应力较低,滑移系更易启动,导致强度降低;反之则需更高表应力能力引发塑性变形,阐发为强度升高,故分歧织构类型导致板材产生各向异性[16]。此表,在织构强度更高的组织中,无数晶粒取向相近,仅有限滑移系可激活,变形协调性差,易产生应力集中,进而提高强度,即导致板材横向强度更高。

3、结论

板材统一地位横向与纵向的显微组织描摹相近,但表层与心部组织描摹差距化较大。表层组织和心部组织均重要由初生α相以及次生α相组成,但心部组织初生α相含量以及次生α相体积较表层组织有显著增长。

分歧地位的极图类型相近,横向与纵向的极图类型产生较大差距,板材表层织构强度较心部更高,板材横向织构强度较纵向更高,且板材横向以R型织构为主,而板材纵向以T型织构为主。

板材表层地位强度较心部地位更高,但塑性较低,统一地位横向强度较纵向更高,但塑性差距化较幼,板材存在显著的各向异性。

参考文件

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（注
，原文标题：TA15钛合金厚板组织与力学机能钻研_王军）