TA15鈦合金棒材常規熱處理與冷卻速率

TA15鈦合金是20世紀60至70年代前蘇聯開發的一種鈦合金，牌號為BT20,名義成分為Ti-6.5αl-1Mo-1V-2Zr。該合金主要的強化機制是通過α穩定元素αl的固溶強化，屬于高αl當量的近α型鈦合金。該合金既具有α型鈦合金良好的熱強性和可焊性，又具有接近于α+β型鈦合金的工藝塑性，是一種綜合性能優良的鈦合金，在航天航空等領域得到了廣泛應用，是國內最成熟、應用最廣泛的鈦合金之一。TA15鈦合金相轉變溫度一般在980°C?1020°C,通常在普通退火狀態下使用，一般認為不能通過熱處理對其進行強化，但在退火態合金中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合金存在熱處理強化的可能性。通常的技術規范推薦TA15合金的退火制度為700°C?850°C(空冷），生產中常用退火制度為800°C?850°C(空冷）。本文研究生產中常用（α+β)區不同退火溫度、不同冷卻速率交互作用下對TA15鈦合金室溫力學性能的影響。

1、實驗方法

實驗材料：實驗所用材料是湖南金天鈦業科技有限公司生產的規格為0300mmTA15鈦合金棒材，其化學成分如表1。用金相法測得相轉變點（α+β/0)為995°C。

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

2、結果與分析

2.1室溫力學性能與兩個溫度及冷卻方式的關系

TA15鈦合金在不同溫度和不同冷卻速率下的力學性能變化

總體來說：在（α+β)區相同的熱處理制度下，TA15合金的抗拉強度和延伸率變化不大，屈服強度、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合金的抗拉強度提高幅度較大，屈服強度、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)在相變點以下溫度退火，TA15合金的室溫、高溫斷裂強度在860°C時出現峰值，而室溫塑性、高溫斷面收縮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（反比）關系。（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。

2.2熱處理和冷卻方式對組織結構的影響

已有的研究表明，在TA15合金相變點下較低溫度范圍內進行退火得到等軸組織。對熱加工態的TA15鈦合金進行650?950°C溫度范圍內退火，結果發現在較低的溫度進行退火對合金組織影響不大，基本保留熱加工時的組織形態，只是3轉含量不同[3]。在800°C和840°C熱處理制度和不同冷卻速率下，組織結構沒有太多改變，基本保留熱加工時的組織形態。

(1)TA15鈦合金雖然是近α鈦合金，但可以進行熱處理強化。

(2)在800°C?850°C熱處理時，同一溫度下，抗拉強度和延伸率變化不大，屈服強度、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合金棒的抗拉強度提高幅度較大，屈服強度、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構的影響不大。