何 偉，杜小平，馬紅征，惠曉原

（西部金屬材料股份有限公司，陜西 西安 710016）

0 引言

TA15（Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr）是一種高鋁當量損傷容限型近α鈦合金，具有良好的熱強性和可焊性，有接近α－β型鈦合金的工藝塑性，是我國航空領(lǐng)域重要的結(jié)構(gòu)材料［1］。鈦合金相變點的定義是在加熱過程中全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪嘟M織的最低溫度。鈦合金的相變點在科研和生產(chǎn)中是非常重要的參數(shù)，是制定熱加工工藝和參數(shù)必須參考的數(shù)據(jù)。生產(chǎn)和科研要求必須準確測定相變點，但由于合金的化學成分以及添加元素和雜質(zhì)元素含量的差異，每一批鈦材的相變點是有差別的［2，3］，因此文獻和標準中推薦的相變點只能作為一個參考，對不同批號的鈦合金應分別測定相變點。相變點測定方法有金相法、差熱分析法、計算法與高溫金相法等。本文采用計算法和金相法測定了TA15鈦合金的相變點，為TA15材料的生產(chǎn)和研究提供參考。

1 試驗方法

本試驗用TA15加工棒材的主要化學成分及雜質(zhì)元素含量如表1、表2所示。

表1 TA15合金的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） %

表2 TA15合金中雜質(zhì)元素含量（質(zhì)量分數(shù)） %

圖1 為TA15鈦合金原始加工態(tài)的顯微組織照片，其為一般的加工態(tài)組織，其中包括等軸α、拉長α和片狀α等組織形態(tài)。

試驗用試樣尺寸為Φ12mm×12mm圓棒，以計算法為依據(jù)選定淬火溫度970℃、980℃、990℃和1 000℃。在管式高溫爐中保溫50min后迅速取出水淬，為了保證在淬火過程中不產(chǎn)生初生α而影響到對相變溫度的判斷，中間轉(zhuǎn)移速度不超過3s，試樣冷卻完全后取出。將淬火后的試樣制成金相試樣，用放大倍數(shù)為200×的Olympus GX51光學金相顯微鏡觀察初生α相的變化情況。

圖1 TA15原始態(tài)的顯微組織

2 結(jié)果與討論

2.1 計算法

計算法是根據(jù)各元素對鈦合金相變溫度的影響來推算的。一般認為，合金化元素的類型和含量、雜質(zhì)含量對鈦合金相變溫度的高低有重要影響。在TA15的主要成分中，Al是α穩(wěn)定元素，可明顯提高鈦合金相變溫度。Mo、V、Fe和Si都是β穩(wěn)定元素，可明顯降低鈦合金相變溫度。Zr是中性元素，對相變點幾乎沒有影響。C、N、O會提高相變溫度，而H可降低相變溫度。

由文獻［4］可知，相變點溫度計算公式為：

其中：T純鈦為基準值885℃，即純鈦的理論相變點；ΔT為合金中除鈦外其他元素對相變點的影響。

鈦合金中各元素對相變溫度的影響見表3［5］。

根據(jù)TA15鈦合金的化學成分及雜質(zhì)含量（見表1與表2）與鈦合金中各元素對相變溫度影響（見表3）由式（2）可計算出Al的影響為：

2.0%×（＋14.5℃／1.0%）＋（6.5%－2.0%）×（＋23.0℃／1.0%）＝＋132.5℃ .

同理，可計算得到：Zr的影響為－4.6℃；V的影響為－31.5℃；Mo的影響為－9.9℃；Fe的影響為－1.3℃；Si的影響為－0.5℃；C的影響為＋2.0℃；O的影響為＋14.0℃；N的影響為＋3.3℃；H的影響為－1.6℃。

將以上數(shù)值代入式（1）得：

T相變＝885℃＋132.5℃－4.6℃－31.5℃－9.9℃－1.3℃－0.5℃＋2.0℃＋14.0℃＋3.3℃－1.6℃＝987.4℃ .

表3 元素含量對鈦合金相變點的影響

2.2 金相法

金相法是測定相變溫度的主要方法之一，應用最為廣泛，但在TA15鈦合金中的應用尚未見過報道。首先選擇淬火溫度范圍，參考計算法得出的相變點以987℃為中心在該溫度上下分別選擇淬火溫度，分別為970℃、980℃、990℃和1 000℃。加熱保溫后水淬。最后觀察試樣初生α相的變化情況。將初生α相消失的淬火溫度和與最鄰近該溫度且仍有殘留初生α相的淬火溫度的平均值確定為相變溫度。

圖2 為采用金相法測定相變點時不同淬火溫度試樣的顯微組織照片。由圖2 可見，在970℃～980℃范圍時，初生α相逐漸變少，針狀馬氏體組織逐漸長大；而當淬火溫度達到990℃時，已經(jīng)觀察不到初生α相，全部是針狀馬氏體，這說明相變已經(jīng)結(jié)束，此溫度已到β區(qū)。因此確定TA15鈦合金的相變溫度在980℃～990℃之間，其相變點的平均值為985℃。

2.3 討論

考慮到各主要元素及雜質(zhì)元素含量對相變點的影響，采用計算法推算TA15鈦合金的相變溫度為987℃，與金相法結(jié)果接近，這表明計算法在一定程度上也具有較高準確性。但雜質(zhì)元素含量對該值影響較大，而某些雜質(zhì)元素含量不能精確定量，這對準確計算鈦合金相變點帶來影響。

采用金相法時，由于淬火溫度選擇在計算出的理論相變溫度附近較小范圍，所以測量值更精確。本文采用金相法測定的相變點為985℃，通過與計算法測定的相變點溫度相比發(fā)現(xiàn)，兩者的結(jié)果相當接近，因而得到的TA15鈦合金的相變溫度是比較準確的。

圖2 金相法測定TA15相變點溫度的顯微組織照片

3 結(jié)論

（1）由于考慮到各主要元素及雜質(zhì)元素含量對相變點的影響，采用計算法推算TA15鈦合金的相變溫度為987℃是比較準確的，與實測值是接近的。

（2）金相法測定的TA15鈦合金相變點為985℃。由于淬火溫度選擇在計算的理論相變溫度附近較小范圍，所以測量值更精確。

（3）由于雜質(zhì)元素含量對相變點的影響較大，而某些雜質(zhì)元素含量不能精確定量，這使得金相法測定的準確性在一定程度上要高于計算法。

［1］洪 權(quán)，張振祺.Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V合金的熱變形行為［J］.航空材料學報，2001，21（1）：10-12.

［2］Zeng W D，Zhou Y G.Influence of cooling rate on microstructure and mechanical properties of beta processed TC11alloy ［J］.Acta Metallurgica Sinica，2002，38（12）：1273-1276.

［3］董長升，李渭清，蔡建明.精鍛及熱處理工藝對TC11鈦合金棒材顯微組織的影響［J］.稀有金屬，2004，28（1）：286-288.

［4］唐普放.鈦及鈦合金相變溫度與測定［J］.鈦工業(yè)進展，1999（3）：34-37.

［5］《稀有金屬材料加工手冊》編寫組.稀有金屬材料加工手冊［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1984.