引言

钛合金作为21世纪重要的战术金属资料，凭借其怪异的机能优势在高端设备制作领域占据着不成代替的职位。该资料最显著的特点在于其优异的比强度(可达铝合金的1.5倍)、杰出的耐蚀性(出格是在含氯介质中)以及齐全无磁性的特点，使其成为航空航天飞行器减重增效的梦想选择[1,2]。钻研批注[3,4]，现代商用飞机中钛合金用量已占结构重量的8%~15%，而在新一代战机中这一比例更是高达25%~30%，充分展示了其巨大的利用价值和发展潜力。

TA15钛合金(名义成分为Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V)作为近a型钛合金的代表，该合金在500℃高温仍能维持400MPa以上的高温强度，同时具备良好的热加工塑性[5]。这些个性使其在航空发起机压气机盘、舰船用耐压壳体以及赛车传动部件等关键领域获得宽泛利用。TA15合金已占我国航空用钛合金总量的35%以上，充分证了然其在工程利用中的重要职位。随着资料制备技术的进取，该合金的利用领域正逐步向能源设备和医疗器械等领域扩大，展示出更辽阔的市场远景[6]。

由于TA15钛合金的应该较为宽泛，已有大量学者对其进行钻研报道，例如任伟宁等钻研了热处置工艺对TA15钛合金热挤压管材显微组织及机能的影响，发现TA15钛合金热挤压管材在退火处置时，部门显微组织在650~750℃产生再结晶，在800~850℃退火时，齐全再结晶，初生a相比例降低。袁飞等[8]钻研了热处置工艺对TA15钛合金力学机能和耐磨性的影响，发现经双重退火后的TA15钛合金拥有最佳综合机能，其组织由初生a、编织交错的片状a和少量β转变基体组成。慎松等  [9]钻研了热处置对增材制作TA15合金微观组织及力学机能的影响，发现随着退火处置温度升高到，TA15合金的晶粒尺寸增大，KAM角度差减小，伸长率增长，而抗拉强度和屈服强度降低。

发现目前关于TA15钛合金热处置工艺的钻研较多，但现有钻研重要集中于α+β两相区退火工艺，而对β单相区退火处置的钻研显著不及。为突破这一局限，本钻研退火温度领域扩大至β单相区，系统钻研了从两相区到单相区全温度领域内的组织演变法规。重点探求了分歧热处置温度区间的组织演变以及力学机能。该钻研不仅添补了TA15钛合金单相区温度退火钻研的空缺，更为成立齐全的“工艺-组织-机能”关系提供重要凭据，对拓展该合金在工程应器拥有重要领导价值。

一、尝试

本钻研以TA15钛合金热轧棒材为试样资料。在原料选择方面，选用粒径为0.83mm~1.25mm的小颗：：
：Ｃ囝押虯l-Mo、Al-Zr、Al-Si中央合金作为初始资料；；；诿宄煞纸信淞贤扑。棒材制备方面，首先将原资料制成自耗电极，再经三次VAR熔炼制成钛合金铸锭，最后选取多火次铸造工艺(始锻温度1150℃，终锻温度不低于850℃)，通过β相区开坯和两相区精锻相结合的方式，将铸锭加工成Φ130mm的棒材。经ICP光谱分析，TA15钛合金棒材的具体化学成分为(质量分数%):Al6.55、Mo1.71、V2.22、Zr2.24、O0.14、Ti余量。针对TA15钛合金的相变个性，本钻研选取差示扫描量热法(DSC)结合金相观察测定其β转变温度。测试了局显示，TA15钛合金的β转变温度为993℃；；；诟忙伦湮露，设计系统的退火工艺规划(见表1)，其设置蕴含从两相区到单相区温度领域,所有试样均选取空冷(AC)方式进行冷却。

退火热处置实现后，对试样进行微观组织和力学机能测试。微观组织方面，顺次使用

240#至2000#砂纸进行精密研磨,随后选取氧化铝悬浮液抛光至镜面状态，并使用侵蚀液(HF:HNO3:H2O=1:3:6)进行侵蚀处置，微观组织观察在SUPRA 55场发射扫描电镜下实现，确；；；竦们宄旱淖橹枘⊥枷。力学机能测试严格遵循GB/T228.1-2021尺度，通过加工的拉伸试样在INSTRON试验机上进行室温拉伸测试，所有分析测试均沿棒材纵向方向进行，为确保数据靠得住性，每组测试前提均设置三个拉伸试样。

表1退火处置制度

二、试验了局与会商

1.显微组织

图1出现了TA15钛合金在分歧退火温度下的显微组织演变法规。通过对比分析能够发现，退火温度为940℃时(图1a)，组织出现出典型的双态组织特点,等轴状的初生α相(地位A))均匀散布在基体中，同时基体内散布着大量藐小的针状次生α相(地位B)。这种组织特点的形成原由于:加热过程中α相转变为β相，而在空冷过程中，会使β相通过扩散型相变分化为次生  α相。此外，相对较慢的冷却速度不及以引发马氏体相变，因而组织中未观察到  α ′相的存在，这与水淬等急剧冷却前提下获得的组织描摹存在性质区别。随着退火温度升高至960℃(图1b)，初生a相体积分数有所降低，但其等轴描摹特点维持不变。当温度进一步升至980℃(图1c)时，组织演变出现两个显著特点:次生  α相数量显著增多，形成致密的网状散布，且初生  α相含量进一步削减,这种变动批注温度升高显著推进了a相的溶化和β相的转变。当退火温度达到1000℃时(图1d)，组织产生底子性转变，组织中初生α相齐全溶化,并形成粗壮的β晶粒，且在β晶界和晶内析出典型的魏氏体  α相集束。这种组织演变过程遵循特定的溶化动力学:在加热过程中，尺寸较小、曲率半径较大的  α相粒子优先溶化，随后较大尺寸的  α相逐步隐没。

次生  α相的形成与演化过程受基体化学成分和热力学前提的协同调控，具体阐发为α不变动元素浓度梯度与冷却动力学参数的共同作用  [10]。在相对低温退火前提下，β相基体中α不变动元素处于欠饱和状态，这种热力学平衡使β相维持较高的结构不变性。在此状态下进行冷却时，由于元素扩散驱动力不及，β→α相变仅能产生在初生α相/β相界面等能量有利地位，导致次生α相析出数量有限。当退火温度升高后，β相中α不变动元素的固溶度显著提升，形成过饱和固溶体。在此热力学前提下执行冷却处置，  α不变动元素的扩散势垒显著降低。凭据相变热力学理论，系统吉布斯自由能差驱动溶质原子发成长程扩散，通过形核-长大机制在β相基体内部形成大量次生  α相  [11]。

2.拉伸机能

图2系统展示了TA15钛合金在分歧退火温度前提下的力学机能演变法规。尝试数据显示，当退火温度处于940℃~960℃区间时，合金的抗拉强度(Rm)和屈服强度(Rp0.2)维持相对不变，而当退火温度升至980℃时，资料强度出现阶梯式增长，Rm和Rp0.2别离较960℃处置态有显著提升。而选取1000℃高温退火时，合金阐发出显著的强化成效，Rm达到1020 MPa，Rp0.2达到970MPa。然而，强度提升的同时，资料的断裂伸长率(A)则不休降低。因而，TA15钛合金的力学机能阐发出显著的温度依赖性:在退火温度升高过程中，强度参数与退火温度呈正有关，而塑性指标则与温度呈负有关。

TA15钛合金的力学机能演变与其微观组织特点存在显著的构效关系，能够通过分歧退火温度下的相组成演变和缺点结构特点来诠释。当选取940℃~960℃相对低温退火时，显微组织保留了约60%~65%体积分数的初生α相。这种拥有密排六方结构的初生α相提供了{10-12}<10-11>、{11-22}<11-23>等多个滑移系，在变形初期即可有效激活多系滑移，推进位错的均匀活动和塑性协调，从而使合金阐发出优异的塑性变形能力。然而，这种以初生a相为主导的组织结构由于不足有效的强化相，导致其强度水平相对较低。

当退火温度升高至980℃~1000℃时，组织演变出现三个显著特点:首先，初生a相含量锐减至30%以下;其次，β相区在冷却过程中析出大量次生a相;第三，组织中出现粗壮β晶粒。这种组织结构变动对力学机能产生多重影响:一方面，高密度的次生a相作为有效的位错阻碍物，在位错活动过程中产生强烈的位错集中效应，即组织在变形过程中会形成位错环和塞积群，起到显著的强化作用[13]。另一方面，β晶粒的粗化显著降低了晶界强化成效，同时粗壮β晶粒内较少的晶界数量使位错堆集产生的应力集中难以通过晶界滑移来开释，导致裂纹优先在a/β相界面萌生，并在粗壮β晶粒内急剧扩大，这是导致塑性指标急剧降落的重要原因。

综上所述，这种强度-塑性的反向变动法规性质上反映了金属资猜中常见的强度-塑性颠倒关系。通过精确节制退火温度来调控初生a相和次生a相的相对含量及散布特点，能够实现TA15钛合金力学机能的定向设计。

3.拉伸断口

图3系统出现了TA15钛合金在分歧退火温度下的断口理论描摹特点。显微分析批注，经940℃(图3a)和960℃(图3b)处置的试样断口阐发出类似的断裂学特点，重要阐发为断口理论重要由等轴韧窝(地位C)覆盖，部门区域出现少量解理台阶(地位D)。这种断口描摹的形成可归因于塑性变形过程中的多尺度演化机制，即在拉伸载荷作用下，位错首先在初生a相晶粒内滑移，并在a/β相界面处产生应力集中。随着应变增长，这些应力集中区域会诱发微孔形核。而新形成的微孔会通过位错吸收机制(微孔吸收周围位错导致体积膨胀)以及位错再朝气制(微孔左近的应力集中重新激活位错源，产生新的位错)进行转变，当相邻微孔间的韧带厚度减小至临界尺寸时，会产生微孔连通，最终在断口理论形成典型的韧窝描摹[14]。凭据断裂力学理论，这种高密度、大深度的韧窝结构直接反映了资料优异的塑性变形能力。这一了局与图2所示的力学机能数据吻合，证实了低温退火处置能有效维持TA15钛合金的塑性机能。

而经980℃(图3c)和1000℃(图3d)退火处置的试样断口描摹出现分歧的描摹特点。首先，韧窝数量较低温退火处置后显著削减;其次，此时断口出现出典型的脆性断裂特点，重要由岩石状描摹组成，且断口理论出现大量解理台阶和扯破棱(地位E)。

这种断裂描摹的转变重要由微观组织演变造成，退火温度升高会导致合金断裂机制产生转变，组织中形成的高密度次生α相作为强阻碍物，会显著提高位错活动阻力。其固然加强资料强度，但也导致组织中的位错塞积产生部门应力集中，塑性变形难以在晶粒间协调，裂纹更易在α/β相界面萌生，进而产生脆性断裂。此外，单相区退火后形成的粗壮β晶；；；峤徊郊泳缌俗橹嗷，晶界总面积削减限度了位错吸收能力，导致合金越发容易产生脆性断裂。这种断裂模式从韧性主导到脆性主导的转变，与图2所示的力学机能变动一致。

三、结论

1.在相对低温  (940℃～ 960℃)退火处置前提下，资料重要由初生α相和少量次生α相组成。随着退火温度上升至980℃~1000℃，显微组织产生显著转变:初生α相逐步溶化，其体积分数随温度升高而降低，次生α相的析出数量显著增长，当退火温度达到β单相区时，显微组织中出现显著β晶粒。

2.当退火温度处于940℃~960℃区间时，合金的抗拉强度(Rm)和屈服强度(Rp0.2)维持相对不变，而当退火温度升至980℃时，资料强度出现阶梯式增长，Rm和Rp0.2别离较960℃处置态有显著提升。而选取  1000 ℃高温退火时,合金阐发出显著的强化成效。

3.TA15钛合金的断口特点随退火温度出现显著差距。在低温热处置前提下，断口理论以高密度韧窝为重要描摹特点，同时存在少量解理断裂区域。当选取高温热处置工艺时，断裂模式产生显著转变，阐发为典型的解理断裂特点，蕴含显著的解理台阶和岩石描摹，整体出现脆性断裂描摹。

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（注，原文标题：：
：退火工艺对TA15钛合金组织与力学机能的影响）