在(α+β)相区对TA15钛合金棒进行锻造，研究了tβ-15℃、tβ-30℃和tβ-50℃(tβ为β相变温度)3种锻造温度对合金显微组织和抗拉强度各向异性的影响。结果表明：随着锻造温度降低，TA15钛合金中初生αp相含量增加，片层状α相含量减少，厚度和长宽比减小，抗拉强度提高；TA15钛合金在tβ-50℃温度锻造后沿流线方向的抗拉强度可达973MPa，3个方向抗拉强度的极差随锻造温度的降低而减小；TA15钛合金锻造后的拉伸断口均为韧性断口，锻造温度越低，初生αp相含量越高，断口韧窝越深,而含有较多较细长片层状α相时，断口韧窝较浅。

1 试样制备与试验方法

     试验材料为ϕ300mm的TA15钛合金棒；该合金棒由3次真空自耗电弧熔炼铸锭经β相区开坯和(α+β)相区锻造而成。采用淬火金相法测得该炉批TA15钛合金棒的相变温度tβ为998℃。TA15钛合金棒的显微组织如图1所示，可见初生αp相分布于β相基体上，初生αp相质量分数约55%，呈球状或蠕虫状且分布均匀。

     在油压机上对TA15钛合金棒进行锻造，锻造成厚度为200mm的方坯，锻造加热温度分别为tβ-15℃、tβ-30℃和tβ-50℃，锻后进行850℃×4h热处理，空冷。在钛合金锻件上取样，经去除氧化层、预磨、抛光后，采用Kroll试剂进行腐蚀，使用光学显微镜观察显微组织。在钛合金锻件上分别沿流线方向、宽度方向和厚度方向截取尺寸为ϕ13mm×71mm的标准拉伸试样，标距为25mm，在万能试验机上进行拉伸试验，屈服前拉伸速度为0.005mm·s-1，屈服后拉伸速度为0.02mm·s-1。使用扫描电镜(SEM)观察拉伸断口形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 对显微组织的影响

      TA15钛合金棒经(α+β)相区锻造后的显微组织为典型双态组织，主要由球状初生αp相和β转变组织组成，3个方向显微组织差异较小，如图2(a)所示。由图2(b)~(d)可以看出：在tβ-15℃下锻造后，沿流线方向片层状次生α相排列整齐，呈棒状分布于β相基体上；随着锻造温度降低，片层状α相的长度和宽度均减小。

     由表1可以发现：当锻造温度由tβ-50℃升高到tβ-15℃时，球状初生αp相的质量分数由45%降低到15%，这是因为在较高温度下，部分初生αp相会转变为β相。初生αp相含量与片层状α相含量成反比，因此随锻造温度升高片层状α相含量增加。随着锻造温度降低，片层状α相的厚度和长宽比减小。这是因为：在较高温度下锻造变形过程中，大量位错促进α相发生动态再结晶，片层状α相形核后会迅速长大，因此片层的厚度较大；此外，由于片层状α相的厚度方向与β相界面为半共格界面，厚度方向的长大速率远小于长度方向，因此片层状α相的长宽比也较大。

表1 不同温度锻造后TA15钛合金中初生αp相含量和片层状α相尺寸

2.2 对拉伸性能的影响

     由图3可以看出，随着锻造温度的升高，TA15钛合金沿流线方向的抗拉强度和屈服强度均降低。结合表1分析可知：随锻造温度升高，初生αp相含量减少，相应的片层状α相含量增加，并且片层状α相的长宽比增大；当位错穿过同一集束尺寸的片层状次生α相时，位错的垂直滑移距离缩短，位错塞积程度降低，因此强度降低。此外，在较高温度下锻造后，片层状次生α相排列较为整齐，而随着锻造温度降低，次生α相排列混乱度增加，起到了弥散强化的作用；在拉伸过程中，位错在滑移过程中所遇到的阻力增强，导致大量位错塞积在弥散的强化相中，因此合金强度增加。

     由图4可以看出：随着锻造温度的降低，TA15钛合金3个方向的抗拉强度均增加；在tβ-15℃和tβ-30℃下进行锻造，锻件3个方向的抗拉强度极差分别为24，23MPa，在tβ-50℃下锻造后，3个方向的抗拉强度极差减小到10MPa。钛合金的断裂过程与裂纹扩展路径的曲折程度有关，而影响裂纹扩展路径的主要因素是α相的形态和含量。由于α/β相界面的结合能较弱，裂纹通常沿着α/β相界面扩展。当裂纹扩展方向与α/β相界面保持一致时，裂纹沿α/β相界面扩展；而当裂纹扩展方向与α/β相界面不一致时，裂纹将产生停滞效应或被迫改变扩展方向，从而消耗更多的能量。较高温度锻造后合金中大量α相以片层状组织形式存在，而片层状α相集束的不同取向会阻碍裂纹扩展，裂纹穿越集束边界时改变方向，形成裂纹分叉并萌生二次裂纹，这些过程均需消耗更多的能量。片层α相集束由于具有较强的方向性，其断裂过程也存在较强的方向性。在较低温度下锻造时，TA15钛合金的显微组织中存在大量球状αp相，当裂纹穿过球状αp相时无需改变裂纹扩展方向，扩展路径不分叉，无需消耗更多能量，因此抗拉强度极差较小。

2.3 对拉伸断口形貌的影响

     TA15钛合金在(α+β)相区锻造并沿流线方向拉伸后的试样宏观上呈杯锥状形态，断口上存在纤维区、放射区和剪切唇3个区域，如图5(a)所示，试样有明显颈缩现象，表明为韧性断裂。由图5(b)~ (d)可知：在tβ-50℃下锻造后，TA15钛合金沿流线方向拉伸后的断口纤维区存在大量较深的等轴状韧窝，表明其在断裂过程中吸收能量较高；而在tβ-30℃和tβ-15℃下锻造后，拉伸断口纤维区虽仍以韧窝为主，但韧窝较浅。结合显微组织分析可知，含有大量球状初生αp相的锻件韧窝较深，而含有较多较细长片层状α相的锻件韧窝较浅。

      拉伸断裂过程是裂纹形核和长大的过程。钛合金的α/β相界面是潜在的裂纹形核源。较多初生αp相的存在减少了裂纹形核源，在塑性变形过程中优先出现屈服现象，在位错扩展过程中裂纹扩展的有效距离增加，形成较深韧窝。片层状组织为裂纹形核提供大量形核位置，对应力集中起分散效应，且片层状α相中位错扩展的有效滑移距离较短，因此在含有较多较细长片层状α相的组织中，形成较浅的韧窝。

3 结 论

     (1) 经(α+β)相区锻造后，随着锻造温度降低，TA15钛合金中球状初生αp相含量增加，片层状次生α相含量减少，厚度减小，合金强度增大，在tβ-50℃下锻造后，沿流线方向的抗拉强度达973MPa。

     (2) 随着锻造温度降低，TA15钛合金流线方向、宽度方向和厚度方向的抗拉强度极差减小。

     (3) TA15钛合金在(α+β)相区锻造后的室温拉伸断口均为韧性断口，随着锻造温度降低，拉伸断口纤维区韧窝变深。

引用本文：

王哲，冉兴，刘程程，等.锻造温度对TA15钛合金显微组织及抗拉强度各向异性的影响[J].机械工程材料，2022，46（7）：6-10.