● 摘要
Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn（通常被称作Ti-15-3）合金是一种通过时效强化产生亚稳态β相的钛合金。对于这种合金，通过改变加工工艺、热处理参数等方法，控制和选择强化析出相的分布及形貌，可以获得不同的力学性能。Ti-15-3合金的微观组织及性能对时效参数非常敏感。本文研究了时效工艺参数（时效时间和时效温度）对Ti-15-3合金的微观组织及力学性能的影响。时效温度从490°C到640°C，时间为2小时到14小时，分别在真空及非真空环境下进行时效处理。通过X射线衍射分析、光学显微镜和扫描电子显微镜观察、硬度测试和拉伸试验等，研究了不同时效参数对合金微观组织及力学性能的影响。另外，本文还对经过固溶及时效处理的合金进行了原位拉伸试验，研究了裂纹的萌生和扩展行为。研究结果表明：在采用的时效温度范围内对经过固熔处理的β相母合金基体进行时效时，会迅速产生单相α沉淀相，但随着时效时间的延长α沉淀相的形貌和尺寸没有明显的变化。然而，随着时效温度的升高合金的显微组织形貌发生明显的改变，α沉淀相的尺寸显著增加。当时效温度为520℃、时效时间为4hrs时，合金在获得了最高强度和硬度，同时延伸率满足工程需求。随着时效温度的进一步提高，平衡态α沉淀相体积分数的减小，合金的强度和硬度降低而塑性升高。高温非真空时效时，合金的表面形成一层氧化层，在靠近氧化层的合金基体上有一层硬且脆的富氧层，在进行拉伸实验时，由于裂纹首先在富氧层中萌生，合金的强度，尤其是硬度都要低于进行真空时效的合金。原位拉伸试验表明固溶处理的试样在拉应力作用下缺口根部滑移面的裂开产生了主裂纹，并以穿晶方式进行扩展，裂纹扩展路径呈“Z”字形，同时晶界对裂纹扩展起阻碍作用。对于经过固溶+时效处理的试样，裂纹由晶体内处于缺口附近的α/β相界面处开始产生，裂纹时而穿过α析出相，时而沿着α析出相与β基体相界面扩展。当α析出相同裂纹扩展路线有一定角度时，其对于裂纹的扩展具有阻碍作用。
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