ZTA15钛合金名义成分为Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V，属于近α型钛合金[1]，仿制于俄罗斯牌号BT20和BT20Л钛合金[2-3]，具有良好的铸造工艺性、焊接性和综合力学性能。随着热等静压和热处理工艺的广泛应用，ZTA15钛合金铸件的性能已经基本接近其变形件，应用于航天、航空等军工领域的大型结构件，在我国生产的钛合金铸件中，ZTA15和ZTC4钛合金用量占80%。
娄贯涛[6-8]研究了双重热处理和后处理对ZTC4、ZTA5钛合金组织及性能的影响，认为铸态钛合金存在残余应力，对材料强度存在不利影响，应在后处理状态下使用。钦兰云等[9]研究了循环热处理对激光复合制造TA15合金组织及性能影响，认为循环热处理对TAl5合金试样显微组织具有明显影响，造成强度降低、塑性升高。陈奏君等[10]研究了TiH2粉末制备钛合金的组织与力学性能，认为烧结温度对钛合金组织和孔隙率有较大影响，随着烧结温度升高，片状组织增加且粗化，孔隙率下降。王哲等[11]研究了锻造设备对TA15钛合金显微组织及性能的影响，认为不同锻造模块对TA15钛合金的组织及性能存在较大影响。目前，国内外对于钛合金组织及性能的研究多集中在ZTC4、TA15等牌号，且研究方向集中在热处理及加工处理等方面，针对ZTA15钛合金不同状态下组织和性能的系统性研究并不多，公开报道更是少见，这影响了ZTA15钛合金产品在航天、航空等重要军工领域的推广应用。本文系统地研究了ZTA15钛合金在铸造、退火、热等静压(Hot isostatic pressing,HIP)和热等静压后二次退火(HIP+退火)等不同状态下的显微组织和室温拉伸性能，对其工程化应用具有重要意义，为推广应用提供数据支撑。
1 实验方法
本文实验所用试棒采用熔模精密铸造工艺制备，规格为φ16 mm×160 mm圆棒；试棒在VAC-150真空自耗电极凝壳炉中浇铸成型，浇铸电流＞19 KA，真空度＜0.9 Pa，电压35～45 V；试棒内部存在疏松、缩孔缺陷，需进行热等静压处理，热等静压工艺参数为：保压温度910～930 ℃，氩气压力130～140 MPa，保温时间2.4～2.5 h，冷却至300 ℃以下出炉；然后在钻床上用合金钻头钻掉内部夹渣类缺陷，X射线复探确认缺陷完全去除后用同牌号TA15焊丝补焊修复，在VDF/B-4.5T真空热处理炉中退火消除焊接应力，退火工艺参数为：温度700±14 ℃，保温时间2.0±0.1 h，真空度≤0.133 Pa，炉冷≤200 ℃放气，≤40 ℃出炉。
试样取自铸态、退火态、HIP态和HIP+退火态试棒中部位置，每种状态的标准拉伸试样各5个、金相试样各1个，按照GB/T 228.1-2010《金属材料室温拉伸试验》在250 kN 材料试验机(INSTRON5985)上进行室温拉伸试验，金相试样用氢氟酸+硝酸+水溶液腐蚀液侵蚀后，按照GB/T 5168-2020《钛及钛合金高低倍组织检验方法》和GB/T 6611-2008《钛及钛合金术语和金相图谱》 在OLYMPUS GX71 金相显微镜上进行组织观察。
从试棒的头、中、尾部取样进行化学成分检验，实测结果见表1，试棒头、中、尾部化学成分均匀，尤其是主要成分Al、V、Zr和Mo元素，满足GJB2896A-2007标准要求。
表1 ZTA15钛合金化学成分w/%
Tab.1 The chemical composition of ZTA15 titanium alloy
2 实验结果与分析
2.1 ZTA15钛合金在不同状态下的组织
ZTA15钛合金试样在铸态、退火态、HIP态和HIP+退火态下的组织，如图1～4所示。铸态ZTA15钛合金的显微组织为针状α+晶界α+晶间β，属于典型的魏氏组织和网篮组织，在钛液冷却过程中β相转变为针状α相，针状α相沿粗大的原始β晶粒边界分布，原始β晶界仍存留，也可称为α晶界，少量β相未完成转变，沿α晶粒边界分布，呈编织状，称为晶间β，如图1所示。
图1 ZTA15 钛合金铸态组织
Fig.1 As-cast microstructure of ZTA15 Ti alloy
退火态ZTA15钛合金的显微组织为针状α+晶界α+晶间β，如图2所示。退火温度700 ℃，低于β相变温度（1 000±20 ℃），退火态组织与铸态相比较均匀，消除了残余应力，使得退火态的强度明显提高，塑性稍有增强。
图2 ZTA15 钛合金退火态组织
Fig.2 Annealed microstructure of ZTA15 titanium alloy
图3和图4中ZTA15钛合金HIP态和HIP+退火态的显微组织均为片状α+晶界α+晶间β。HIP温度920℃，低于β相变温度，与铸态和退火态组织不同的是针状α相有不同程度的明显宽化，呈片状，晶界α逐步宽化且增多，组织进一步均匀，使得材料强度降低、塑性提高。
图3 ZTA15 钛合金HIP 态组织
Fig.3 Microstructure of ZTA15 titanium alloy at HIP state
图4 ZTA15 钛合金HIP+退火态组织
Fig.4 Microstructure of ZTA15 titanium alloy at HIP and annealed state
铸态、退火态、HIP态和HIP+退火态ZTA15钛合金的显微组织均由α、β两相组成，无论退火或热等静压或热等静压后再退火都不会改变其相组成。这是因为魏氏组织中α相和β相存在顽强的“遗传性”，通过常规退火和热等静压很难改善其组织结构，一般认为不能通过热处理对其进行强化，因此其供货状态通常为热等静压状态或退火状态[12-13]。
2.2 ZTA15钛合金在不同状态下的力学性能
ZTA15钛合金在铸造、退火、HIP和HIP+退火4种状态下的5个试样室温拉伸力学性能，见表2，均满足GJB2896A-2007标准要求。
表2 ZTA15 钛合金在不同状态下的室温拉伸力学性能
Tab.2 Tensile mechanical properties of ZTA15 titanium alloy at room temperature under different conditions
ZTA15钛合金在4种不同状态下5个试样的室温拉伸力学性能变化见图5。在铸态下，强度和塑性偏低，且数据分布离散性强，主要原因是存在残余应力，组织不均匀；经退火后不均匀组织开始向均匀方向发展，强度提高20～40 MPa，塑性提高约1%，数据离散性有所降低；在HIP态下，铸态的针状α相消失，α相组织粗化，呈片状，组织均匀性明显增强，强度降低30～40 MPa，塑性提高约3%，数据分布集中，性能较稳定；在HIP+退火态下，较HIP态组织均匀性进一步增强，强度提高7～8 MPa，塑性降低2%～3%，数据分布进一步集中，性能更加稳定。
图5 ZTA15 钛合金在4 种不同状态下5 个试样的拉伸性能
Fig.5 Tensile properties of 5 samples of ZTA15 titanium alloy at 4 different states
3 结论
通过上述研究得到以下结论：
(1)ZTA15钛合金在铸态下组织不均匀，存在残余应力，力学性能数据分布离散，对材料的工程化应用不利。
(2)ZTA15钛合金经退火或HIP或HIP+退火，组织逐渐趋于均匀，力学性能数据分布集中，强度先明显降低后稍有增加，韧性先明显增加后稍有降低，均满足性能指标要求。
(3)ZTA15钛合金在HIP+退火态下组织和性能均匀性最强，力学性能数据分布集中度最高，为最佳使用状态。
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