隋 楠, 曹京霞, 黃 旭, 高 帆, 譚啟明

（中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院 先進(jìn)鈦合金航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095）

鈦合金是理想的抗高速?zèng)_擊材料，相對(duì)于傳統(tǒng)的合金鋼減重明顯，又具有比復(fù)合材料更高的抗剪切能力[1]。新一代抗高速?zèng)_擊結(jié)構(gòu)件追求高速化和小型化，必然引起氣動(dòng)問題，這對(duì)鈦合金等主要結(jié)構(gòu)材料的耐熱性能提出了更高的要求，因此高溫鈦合金應(yīng)運(yùn)而生[2]。TA15鈦合金的名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，是與俄羅斯研制的BT20鈦合金相似的一種高Al當(dāng)量近α型鈦合金[3]，可在450～500 ℃溫度范圍長(zhǎng)期使用。其中，α穩(wěn)定元素Al的作用是固溶強(qiáng)化，中性元素Zr和β穩(wěn)定元素Mo和V的作用是提高工藝性。該合金具有中等的室溫和高溫強(qiáng)度，良好的熱穩(wěn)定性，抗蠕變性，耐腐蝕性以及良好的焊接性能，在航空航天工業(yè)中廣泛應(yīng)用，可用于制造各類飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)及武器裝備的結(jié)構(gòu)件[4-7]。

近些年，TA15鈦合金憑借其優(yōu)良的性能在武器裝備領(lǐng)域有了更寬廣的應(yīng)用前景，在這些服役條件下的結(jié)構(gòu)件經(jīng)常會(huì)承受高速?zèng)_擊載荷，要求材料輕質(zhì)高強(qiáng)、低成本、耐腐蝕且具有良好的韌性和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。與目前用于抗高速?zèng)_擊結(jié)構(gòu)件的TC4鈦合金相比，TA15鈦合金具有更高的使用溫度、更低的密度、更好的強(qiáng)度和塑性匹配及更為優(yōu)異的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，有利于提高結(jié)構(gòu)效率，增強(qiáng)作戰(zhàn)能力。無論是準(zhǔn)靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)環(huán)境下，隨著應(yīng)變率的提高，TA15鈦合金屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯上升的趨勢(shì)，而在動(dòng)態(tài)環(huán)境下的屈服應(yīng)力可以達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)的1.65倍[8]。鈦合金的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能是其服役性能的一個(gè)重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[9]。

目前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者研究了TA15鈦合金在熱處理過程中的組織演變規(guī)律及其對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能的影響，很少有人開展合金成分對(duì)TA15鈦合金組織形態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能影響的研究。本研究微調(diào)4種合金成分，測(cè)試了不同成分TA15鈦合金的室溫準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，分析合金元素、組織參數(shù)和力學(xué)性能之間的響應(yīng)關(guān)系，為獲得兼具較好準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的成分和組織提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料為采用三次真空自耗電弧熔煉法和兩相區(qū)變形鍛造同種工藝下獲得的4種不同成分的φ200 mm TA15鈦合金棒材，實(shí)測(cè)合金成分見表1。合金的相變點(diǎn)為1010～1020 ℃，4種合金采用950 ℃ × 2 h/AC普通退火熱處理，冷卻過程中，部分次生α相在β相上呈針狀析出，得到的顯微組織為等軸初生α相基體上分布有一定數(shù)量β轉(zhuǎn)變組織的等軸組織，如圖1。在Leica金相顯微鏡與FEI場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡上觀察顯微組織形貌，并借助金相分析軟件定量分析微觀組織參數(shù)，用不同視場(chǎng)中片狀α相平均寬度來表征次生α相寬度，用體積分?jǐn)?shù)來表征初生α相含量。在電子萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定室溫準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能，在φ14.5 mm分離式霍普金森壓桿上測(cè)量φ4 mm × 4 mm圓柱體試樣在（2700 ± 100）s-1、（3000 ± 100）s-1及臨界應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，試驗(yàn)裝置可參閱相關(guān)文獻(xiàn)[10]，其基本原理是將試樣放在輸入桿和輸出桿之間，撞擊桿在較高氣體壓力作用下撞擊輸入桿，在輸入桿中產(chǎn)生一維彈性應(yīng)力脈沖，彈性波經(jīng)過試樣傳到輸出桿中，最后由吸收桿捕獲。利用粘貼在輸入桿和輸出桿上的應(yīng)變片，記錄下入射波、反射波、透射波應(yīng)變脈沖。通過超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和瞬態(tài)波形存儲(chǔ)器可獲得試樣在一定應(yīng)變率下的電壓-時(shí)間曲線，進(jìn)一步處理得到在此應(yīng)變率下的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。將材料在動(dòng)態(tài)變形過程中的均勻塑性應(yīng)變、平均流變應(yīng)力和沖擊吸收能作為衡量材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的指標(biāo)。采用試樣發(fā)生剪切失效之前所吸收的能量（即沖擊吸收能E）來表征材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能[11]，可由式（1）表示：

表1 TA15鈦合金成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table1 Compositions of TA15 titanium alloys（mass fraction/%）

圖1 4種TA15合金熱處理后顯微組織Fig.1 Microstructures of 4 kinds of TA15 alloys after heat treatment （a）1#；（b）2#；（c）3#；（d）4#

2 結(jié)果與分析

2.1 合金成分的微小變化對(duì)合金組織的影響

在金相分析軟件上取三次統(tǒng)計(jì)結(jié)果的平均值，得到4種成分合金的初生α相含量依次為67.82%、69.63%、76.44%、61.41%，計(jì)算在5個(gè)不同視場(chǎng)下25組數(shù)據(jù)分別得到片狀α相平均寬度依次為0.683 μm、0.695 μm、0.803 μm、0.585 μm，見表2，次生α相形態(tài)如圖2。對(duì)比1#和2#合金，Zr元素含量較高時(shí)，初生α相含量減少，次生α相片層寬度較細(xì)；對(duì)比2#和3#合金，Mo元素含量增加時(shí)初生α相含量減少，次生α相片層寬度較細(xì)；對(duì)比2#和4#合金，Al、V元素含量的增加也降低初生α相含量，具有較細(xì)的次生α相片層寬度?？偟膩砜矗褐骱辖鹪睾孔钌俚?#合金初生α相含量最多，轉(zhuǎn)變?chǔ)聟^(qū)體積分?jǐn)?shù)最少，次生α相片層寬度最寬；主合金元素含量較高的4#合金成分初生相含量最少，轉(zhuǎn)變?chǔ)聟^(qū)體積分?jǐn)?shù)最多，次生α相片層寬度最細(xì)。

表2 4 種 TA15 合金的微觀組織參數(shù)Table2 Microstructure parameters of 4 kinds of TA15 alloys

2.2 合金成分的微小變化對(duì)合金室溫準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能的影響

熱處理后合金的室溫準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能如表3所示，每組拉伸試樣性能為兩個(gè)試樣的平均值。由表3可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)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元素含量的少量變化對(duì)抗拉強(qiáng)度影響微弱，Zr含量較高、O含量略少的1#合金具有更高的塑性；對(duì)比Mo含量不同的2#和3#合金，Mo元素含量較高的2#合金具有更高的強(qiáng)度和較低的塑性；對(duì)比V元素含量不同的2#和4#合金，V元素含量較高的4#合金具有更高的強(qiáng)度和較低的塑性。對(duì)比3#和4#合金成分，4#合金Al、Mo和V等元素含量均較高，具有最高的抗拉強(qiáng)度和最低的塑性。2#合金中Zr元素含量較低，但雜質(zhì)元素O的含量略多，在合金范圍內(nèi)，O作為強(qiáng)α穩(wěn)定元素進(jìn)入基體晶格間隙，起到固溶強(qiáng)化作用，隨著間隙元素含量的增加，有利于提高合金的室溫抗拉強(qiáng)度而塑性有所下降[12]，兩者的綜合作用使2#合金表現(xiàn)出了略高的強(qiáng)度和較低的塑性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與鋁鉬當(dāng)量強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果（考慮氧元素的差異）一致。綜合來看，Zr元素含量對(duì)室溫抗拉強(qiáng)度性能的影響微弱，隨著Al、Mo、V元素含量的增加，合金的強(qiáng)度升高，塑性呈相反規(guī)律變化。

圖2 4 種 TA15 合金次生α相形態(tài)Fig.2 Morphologies of secondary α phase of 4 kinds of TA15 alloys （a)1#；（b）2#；（c）3#；（d）4#

2.3 合金成分的微小變化對(duì)合金動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響

TA15鈦合金屬于熱敏感型和應(yīng)變速率敏感型材料[13]。材料在高應(yīng)變率條件下的變形由三個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的因素決定：一是由塑性變形增加而導(dǎo)致的加工硬化效應(yīng)，二是應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，三是由絕熱溫升而引起的熱軟化效應(yīng)[14]。當(dāng)熱軟化作用占優(yōu)時(shí)，材料就會(huì)發(fā)生熱塑性失穩(wěn)[15]。材料壓縮后的試樣形貌如圖3所示，在（2700 ± 100）s-1、（3000 ±100）s-1應(yīng)變率下，4種合金成分均未發(fā)生絕熱剪切失效。在臨界應(yīng)變率下，絕熱剪切現(xiàn)象剛剛發(fā)生，失效方向沿著最大剪應(yīng)力方向，與圓柱試樣軸線成45°。實(shí)驗(yàn)得到4種合金成分的臨界應(yīng)變率（）依次為：3350 s-1、3320 s-1、3230 s-1、3400 s-1，臨界應(yīng)變率由大到小依次為4#＞ 1#＞ 2#＞ 3#。圖4為不同成分TA15鈦合金在（2700 ± 100）s-1、（3000 ± 100）s-1和各自臨界應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出TA15鈦合金沒有明顯的屈服現(xiàn)象，由于鈦合金的導(dǎo)熱性較差，在高應(yīng)變率下變形時(shí)產(chǎn)生明顯的變形熱效應(yīng)[16]。結(jié)合真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到合金在（2700 ± 100）s-1、（3000 ± 100）s-1和臨界應(yīng)變率下的平均動(dòng)態(tài)流變應(yīng)力（σ/MPa），均勻動(dòng)態(tài)塑性應(yīng)變（ε） 和沖擊吸收能（E/（MJ·m-3））數(shù)值，見表4。對(duì)同一合金，隨著應(yīng)變率的提高，4種合金的均勻塑性應(yīng)變和沖擊吸收能均增加。

表3 4 種 TA15 合金熱處理后的拉伸性能Table3 Tensile properties of 4 kinds of TA15 alloys after heat treatment

圖3 不同成分TA15鈦合金動(dòng)態(tài)壓縮后變形特征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

圖4 不同成分TA15鈦合金的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線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鈦合金在（2700 ± 100） s-1、（3000 ± 100） s-1及臨界應(yīng)變率下的 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

采用試樣發(fā)生剪切失效之前所吸收的能量來表征材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的優(yōu)劣，在臨界應(yīng)變率范圍內(nèi)，合金成分的微小變化對(duì)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能影響微弱。在臨界應(yīng)變率，對(duì)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元素含量較高的1#合金具有更高的均勻塑性應(yīng)變和沖擊吸收能；對(duì)比Mo含量不同的2#和3#合金，Mo元素含量較高的2#合金具有更高的平均流變應(yīng)力、均勻塑性應(yīng)變和沖擊吸收能；對(duì)比V元素含量不同的2#和4#合金，V元素含量較高的4#合金具有更高的平均流變應(yīng)力、均勻塑性應(yīng)變和沖擊吸收能。對(duì)比3#和4#合金成分，4#合金Al、Mo、V等元素含量均較高，具有最高的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能?？偟膩砜矗S著主合金元素含量的增加，合金的臨界應(yīng)變率提高，具有更加優(yōu)異的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。

2.4 合金成分、顯微組織和力學(xué)性能間的響應(yīng)關(guān)系

表5匯總了不同成分TA15鈦合金的成分特點(diǎn)、組織參數(shù)、室溫準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能特征，通過對(duì)比分析可以看出：主合金元素含量較高的合金具有較高的強(qiáng)度、較低的塑性及優(yōu)異的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，這是由于Al是α穩(wěn)定元素，原子以置換方式存在于α相中，能夠提高合金的強(qiáng)度。當(dāng)Al原子呈過飽和狀態(tài)時(shí)，在高溫服役條件或長(zhǎng)時(shí)間保溫條件下，基體中會(huì)析出脆性的有序相，將使得材料的塑性明顯降低[17]。Mo、V是同晶型β穩(wěn)定元素，具有與β鈦相同的體心立方結(jié)構(gòu)，以置換方式在β鈦中無限固溶，所產(chǎn)生的晶格畸變較小，在對(duì)合金固溶強(qiáng)化的同時(shí)能夠保持合金良好的塑性。隨著固溶元素含量的增加，在晶粒生長(zhǎng)過程中對(duì)晶界的阻礙作用更為顯著，從而使得組織晶粒更為細(xì)小，在變形過程中大量的晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，起到細(xì)晶強(qiáng)化作用，在強(qiáng)化合金的同時(shí)對(duì)塑性影響較少[18]。Zr元素有一定的補(bǔ)充強(qiáng)化作用，對(duì)合金塑性的不利影響比添加Al元素要小。在動(dòng)載荷作用下，Mo元素對(duì)合金的抗裂紋擴(kuò)展能力和塑性的貢獻(xiàn)較鋯、錫、鋁大（ Mo ＞ Zr ＞ Sn ＞ Al）[19]，因此可以提高合金的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。

隨著主合金元素Al、V和Mo含量的增加，初生α相含量減少，轉(zhuǎn)變?chǔ)聟^(qū)體積分?jǐn)?shù)增多，次生α相片層寬度較細(xì)，合金的強(qiáng)度升高，塑性呈相反規(guī)律變化。片狀β轉(zhuǎn)變組織有利于抵抗裂紋擴(kuò)展；次生α相片層寬度較細(xì)時(shí)，兩相界面增多，位錯(cuò)滑移阻力增大，位錯(cuò)容易塞積形成應(yīng)力集中，不利于變形的發(fā)生，因而強(qiáng)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相片層寬度，相對(duì)其他合金元素，Zr元素對(duì)初生α相含量、次生α相片層寬度、室溫抗拉強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響較小。

在合金的臨界應(yīng)變率范圍內(nèi)，合金成分的微小變化對(duì)TA15鈦合金動(dòng)態(tài)力學(xué)性能影響微弱。然而，隨著主合金元素含量的提高，合金的臨界應(yīng)變率提高，平均動(dòng)態(tài)流變應(yīng)力、均勻動(dòng)態(tài)塑性應(yīng)變和沖擊吸收能均有所增加，動(dòng)態(tài)力學(xué)性能提高。從組織參數(shù)的角度，對(duì)于空冷條件下等軸組織的TA15鈦合金，初生α相含量的降低以及較細(xì)的次生α相片層寬度有利于室溫抗拉強(qiáng)度、臨界應(yīng)變率和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的提高。初生α相含量較少時(shí)，次生α相含量較多，細(xì)小的次生α相片層使裂紋在擴(kuò)展過程中方向更易發(fā)生改變，裂紋擴(kuò)展的總長(zhǎng)度增加，在絕熱剪切破壞前能夠吸收更多的能量。此外，初生α相更容易沿著剪切應(yīng)力方向發(fā)生大的局域化變形，為絕熱剪切失效提供了有利條件。

表5 不同成分TA15鈦合金的室溫準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能和臨界動(dòng)態(tài)力學(xué)性能對(duì)比Table5 Comparison of quasi-static tensile properties and critical dynamic properties for different compositions of TA15 titanium alloys

3 結(jié)論

（1）Zr元素含量對(duì)室溫抗拉強(qiáng)度性能影響微弱，隨著主合金元素Al、V和Mo元素含量的增加，初生α相含量減小，次生α相片層寬度較細(xì)，合金的強(qiáng)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相片層寬度，相對(duì)其他合金元素，Zr元素對(duì)初生α相含量、次生α相片層寬度、室溫抗拉強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響較小。

（2）在臨界應(yīng)變率范圍內(nèi)，合金成分的微小變化對(duì)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響微弱。提高主合金元素Al、Zr、V和Mo元素含量，有利于提高合金的臨界應(yīng)變率，且在此臨界應(yīng)變率下具有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。

（3）從組織參數(shù)來看，對(duì)于空冷條件下獲得的等軸組織TA15鈦合金，初生α相體積分?jǐn)?shù)越小，次生α相片層寬度越細(xì)時(shí)越有利于室溫抗拉強(qiáng)度、臨界應(yīng)變率和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的提高。