N、O、Fe的含量对TA15钛合金性能和组织的影响

　　本文主要研究了杂质元素N、O、Fe 含量对TA15 钛合金力学性能的影响，并通过光学显微镜、扫描电镜等实验手段对不同杂质成分的微观组织进行了研究分析。研究结果表明：随着杂质N、O、Fe 含量的增加,TA15 钛合金的室温拉伸、高温持久均得到提高。在显观组织上，不同杂质含量的组织形貌、结构有一定的差别。

1、引言

　　钛合金中含有Al、Mo、V、Zr 等合金元素和主要Fe、N、O 杂质元素，控制这些元素的一定含量和组合可以得到综合性能良好的半成品，为最终在航空、航天、石油、化工等重要行业用的零件提供优质的原材料。

　　TA15是前苏联在本世纪60 年代初研制的近α型钛合金，它的名义成分是Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V，兼有α型和（α+β）型钛合金的优点，具有良好的热稳定性，长时间工作温度可达500℃。同时TA15 钛合金的焊接性和工艺塑性良好，可制成板材、棒材、锻件等多种规格产品，广泛应用于飞机发动机及机身结构件。

　　TA15 钛合金采用的是普通退火制度（700℃~850℃，1h~4h 空冷），因此合金元素和杂质元素的成分、热加工工艺的控制对是强化性能的关键。本文主要研究了TA15 钛合金的杂质元素Fe、N、O的含量对力学性能影响，并通过光学显微镜和扫描电镜对TA15 不同杂质成分的微观组织进行了观察和分析，从而揭示TA15 钛合金中杂质元素强化性能的机理。

2、试验材料和方法

　　试验的材料是采用三炉杂质成分不同的φ14mnn 棒材。这三炉棒材是由实验室冶炼的小锭采用相同冶炼工艺、相同的热加工工艺得到的。

　　实验过程如下：先采用相同热处理制度将三炉试样退火后，测试了室温拉伸、高温拉伸、持久、冲击，并利用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜对试样的微观组织结构进行了观察分析。

3、试验结果和分析

3.1、化学成分

　　将主要合金元素控制在中线，然后设计了成分1：主要杂质元素N、O、Fe 均为海绵钛中带入，不另外配。成分2：在成分1 的基础上提高O、Fe的含量。而成分3：则在在前2 种成分的基础上又提高了N 的含量。测试结果见表1。

3.2、相变点

　　由于O、N 是α稳定元素，提高相变点；Fe是β稳定元素，降低相变点，因此，不同O、N、Fe含量的成分得到的相变点会不一样（见表1）。成分2 由于增加了O、Fe，因此相变点比成分1 略高一些，而成分3 的N 增加较多，相变点要高出成分1、成分2 近20℃~30℃。

3.3、力学性能

　　三种成分的试样得到的力学性能见表2。可以看到三种成分得到的力学性能有较大的差别。①室温拉伸强度：屈服强度和抗拉强度随着O、N、Fe含量的增加而逐渐提高，而成分3 的断面收缩率要比成分1 和成分2 低20%左右。②500℃的拉伸强度：成分1 的屈服强度和抗拉强度低于后两种成分，但成分2 和成分3 的屈服强度和抗拉强度相差不大；断面收缩率的变化趋势与室温一样。③500℃持久强度：成分1 的持久强度很差，达不到技术标准的要求，而成分2 和成分3 的持久强度均能满足技术指标。④室温冲击：随着O、N、Fe 含量的增加室温冲击值逐渐降低。

3.4、微观组织

　　三种成分的试样退火后的微观组织见图1a,b,c、图2a,b,c。它们均为两相双态组织，由等轴或球状的初生α相和β转变组织组成。从光学显微镜得到的500 倍图片和高倍率的扫描照片来看：不同成分的组织中，初生α相的含量、尺寸以及β转变基体上次生α相的含量、长短都有差异。成分1的初生α相的含量最多，但大小不均匀，有大有小；成分2 的初生α相的尺寸最小，并且比较均匀。而成分1 的次生α相既有长条状，也有短棒状，尺寸也比较宽，（见图2a）；成分2 中的黑色β转变基体较多（见图1b），但分布其中的条状次生α相比较均匀，均为短棒状；成分3 的试样组织中，球状的初生α相颗粒比较均匀，而分布在β转变基体上的条状次生α相也比较细。