TA15鈦合金是一種高Al當(dāng)量的近α型鈦合金,其主要強(qiáng)化機(jī)制:通過添加α穩(wěn)定元素Al固溶強(qiáng)化,加入中性元素Zr和β穩(wěn)定元素 Mo,V進(jìn)行補(bǔ)充強(qiáng)化并改善工藝性能。因此該合金既具有α型鈦合金良好的熱強(qiáng)性和可焊接性,又具有(α+β)型鈦合金的工藝塑性,特別適合于制造各種焊接零部件1-31,廣泛應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中。但TA15合金作為摩擦運(yùn)動(dòng)副零部件,其服役環(huán)境惡劣,要求具有優(yōu)異的綜合性能(“。

目前對(duì)TA15合金熱處理過程中微觀組織的變化方面已經(jīng)開展較多工作,大多數(shù)將熱處理溫度區(qū)間劃分為(α+β)相區(qū)和β相區(qū)兩部分,關(guān)注普通退火或空冷后TA15合金的微觀組織情況以及對(duì)強(qiáng)度、塑性的影響。沙愛學(xué)571等人對(duì) TA15合金進(jìn)行普通退火工藝試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),試樣的抗拉強(qiáng)度隨退火溫度升高而提高,升幅在60~100 MPa左右。強(qiáng)度提高的原因是亞穩(wěn)定β相在臨界溫度以上發(fā)生分解,彌散析出的次生α相具有強(qiáng)化作用。張旺鋒(]等人通過理論和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),對(duì)于近α型鈦合金通過等溫近β變形并結(jié)合合理的冷卻可獲得綜合性能優(yōu)異的三態(tài)組織(由約含20%等軸α , 50%~60%條狀α構(gòu)成的網(wǎng)籃和β轉(zhuǎn)變基體組成)。文獻(xiàn)[10]以三態(tài)組織為目標(biāo)分析了3種熱加工工藝組合下TA15合金局部加載成形組織演化,熱處理對(duì)組織變化敏感且機(jī)理復(fù)雜。

為了系統(tǒng)地研究TA15合金微觀組織演變機(jī)理,本文以 TA15合金為研究對(duì)象,分析了不同溫度及冷卻速度下微觀組織的變化規(guī)律,目的是通過采用不同的熱處理工藝調(diào)整合金的顯微組織,從而改善TA15合金力學(xué)性能。

試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)用材料為TA15合金,尺寸為16 mm ×16 mm ×4 mm,化學(xué)成分見表1。由Ti-Al相圖可知,當(dāng)AI含量達(dá)到6%時(shí),相變溫度為990~1010 ℃。選擇β區(qū)(1030 ℃).( α +)區(qū)上部( 980 ℃).(α+β)區(qū)中部(900 ℃).(a +β)區(qū)下部(820 ℃)4個(gè)典型的溫度進(jìn)行試險(xiǎn)[11-12]試樣的編號(hào)和對(duì)應(yīng)的熱處理工藝列于表2。

熱處理后的試樣,用不同型號(hào)的砂紙打磨、拋光至鏡面,用HF:HNO,: H,O =1:6∶7的腐蝕液浸蝕,然后采用DM1LM 型金相顯微鏡進(jìn)行組織形貌觀察。用WS-2005型顯微維氏硬度計(jì)測(cè)試樣表面顯微硬度,試驗(yàn)力為5 kg,加載時(shí)間20 s。

圖5為經(jīng)不同工藝熱處理后的試樣的顯微硬度。由圖可知,試樣經(jīng)820 c, 900℃熱處理后,其顯微硬度僅為300 HVo.1左右,冷卻速度對(duì)其顯微硬度的影響不明顯。當(dāng)退火溫度達(dá)到980 ℃,水淬后由于出現(xiàn)大量馬氏體α',顯微硬度較900℃有一定的提高。隨冷卻速度的降低,空冷后組織中針狀次生α相彌散分布在β相中,有一定的強(qiáng)化效果，硬度可達(dá)到450 HVO.1左右。而爐冷由于冷卻速度較慢,顯微組織出現(xiàn)等軸化傾向,新相的形核與長(zhǎng)大類似于一個(gè)再結(jié)晶的過程,對(duì)組織中位錯(cuò)堆積等缺陷的消除有積極作用,從而發(fā)生一定程度的再結(jié)晶軟化,表現(xiàn)為硬度的降低。隨熱處理溫度升高,合金顯微硬度急劇上升。當(dāng)溫度為1030℃時(shí),合金的顯微硬度達(dá)到550 HVO.1,這與該溫度下形成的粗大( α+β)組織有著密切聯(lián)系,試樣中( α +β)以針片狀存在,界面積增多,同時(shí)破壞了基體的連續(xù)性，再者針片狀( α +B)內(nèi)位錯(cuò)密度較高,宏觀上表現(xiàn)為硬度顯著地提高。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),冷卻方式對(duì)其硬度的影響不明顯。

結(jié)論

( 1 )TA15合金經(jīng)820℃保溫1 h,以不同的速度冷卻后,其組成相都為初生α和β相;

( 2)TA15合金900℃保溫1 h后,水冷后組織為初生α相和過冷的不穩(wěn)定馬氏體α'相,且晶粒尺寸較小;空冷后組織為針狀( α +β)相和少量初生α相;爐冷后,組織向針狀( α +β)相、等軸α和晶界β轉(zhuǎn)變,且晶粒尺寸有所增大;

( 3 )TA15合金980℃保溫1 h,水冷后出現(xiàn)大量不穩(wěn)定馬氏體組織α'相;空冷后為雙態(tài)組織初生α相以及細(xì)小的再結(jié)晶β晶粒;爐冷后組織向針片狀( α +β)相轉(zhuǎn)變;

(4)TA15合金1030 ℃保溫1 h,水冷后為全馬氏體α'相,隨著冷卻速度的降低,組織由馬氏體α'相向針狀和片狀( α+β)轉(zhuǎn)變;

(5)隨著熱處理溫度升高,TA15合金的顯微硬度不斷提高,顯微硬度由820℃保溫時(shí)的300 HVO.1達(dá)到1030℃保溫后的550 HVO.1,而冷卻速度對(duì)硬度的影響不大。