B元素對TA15合金鑄態組織的改性與機理研究

TA15合金是一種高Al當量的近α型鈦合金，具有較高的強度、良好的熱穩定性和可焊性，被廣泛應用于制造發動機的各種葉片、機匣，飛機的梁、接頭、大型壁板等關鍵的結構部件。近年來，新型發動機某些鈦合金鑄件開始采用TA15合金。鈦合金鑄造過程在真空環境下進行，冷卻速度緩慢，且鈦合金導熱性能差，使得鑄件晶粒粗大，而鑄件粗大的組織無法通過熱變形進行細化，嚴重惡化鈦合金鑄件的性能。TA15鈦合金作為一種近α型合金，主要依賴于α穩定元素Al對合金進行固溶強化，不能通過熱處理進行強化。因此，采用TA15合金澆注的鑄件改善力學性能的WY方法即是細化晶粒。
　　鑄造過程中采用添加晶粒細化劑細化晶粒的方法應用較為廣泛，該方法早已在鋁合金、鐵合金及鎂合金等材料的鑄造過程得到廣泛應用。晶粒細化劑在鈦合金中的作用近年來成為研究熱點，尤其是B元素對鈦合金組織、性能的影響研究內容很豐富。但是，目前關于B元素對合金組織及性能的影響研究主要集中在低合金化的TiAl和TC4中，且主要研究合金的常溫力學性能，關于B元素對TA15這類主要用于高溫耐熱鑄件合金微觀組織及高溫性能的影響還未見報道。鑒于此，研究人員通過在TA15鑄錠中添加B元素，探索外加異質形核劑B對TA15鈦合金鑄造組織的改性效果與機理，期望對鈦合金鑄件的工藝開發提供指導。
　　所用材料為經過兩次真空自耗電弧熔煉得到的TA15鈦合金鑄錠，鑄錠尺寸為Φ140mm×200mm。鑄錠化學成分除B元素按試驗所需進行添加，并報實測外，主元素與雜質元素含量均符合GB/T3620.1-2007中TA15牌號的要求。
　　TA15合金電極制備所用原材料有：海綿鈦、鉬鋁合金、釩鋁合金、海綿鋯、鋁豆。B元素是以二硼化鈦（TiB2）的形式加入自耗電極中。共制備TA15鑄錠4個，B含量（質量分數，%）分別為0、0.1、0.15、0.2。
　　鑄錠扒皮至無表面缺陷后，在鑄錠縱向1/3、2/3位置處獲取試樣，進行化學成分分析。將鑄錠沿縱向解剖觀察縱向組織特征。試樣經處理，通過顯微鏡觀察合金顯微組織。試驗結果表明：
　　（1）TA15合金中加入微量硼可細化鑄造組織，有效防止晶粒長大，而且可降低片層組織的片層厚度，提高片層組織穩定性，從而改善合金的性能。隨著B元素含量的增加，細化程度提高。
　　（2）B作為間隙元素在β相中的溶解度很低，且在凝固過程中形成TiB化合物，因此B元素可能通過成分過冷，提高非均勻形核速率以達到細化晶粒目的。同時，TiB化合物對晶界產生釘扎，抑制晶粒的進一步長大，進而細化組織晶粒。