引言
钛作为一种轻质高强度的金属材料,其密度仅为4.51g/cm3,约为铁密度的57%,但其比强度却显著优于大多数金属材料[1,2]。这种优异的比强度特性使钛及钛合金在航空航天、海洋工程等领域具有不可替代的应用价值。TA15钛合金是一种典型近a型钛合金，该合金通过多元合金化设计，加入了Al、Mo、V、Zr等合金元素，使其在保持良好塑性的同时，具有优异的室温强度和高温性能。这些特性使其成为航空发动机压气机盘、叶片、飞机承力构件以及航天器关键部件的理想材料。
目前已有众多学者对TA15钛合金板材进行了研究，例如孙梦桐等研究了TA15钛合金薄板的微观组织及拉伸力学性能;戴毅等对TA15钛合金薄板叠轧工艺进行了研究;张苗等研究了TA15钛合金中板组织与力学性能。目前关于TA15钛合金板材的研究主要集中在薄板和中板领域，鲜有关于厚板成形工艺及性能的系统性研究，且现有研究多聚焦于组织形貌分析和拉伸性能测试，而对板材晶体结构(特别是织构演变)的深入探讨鲜有报道。针对这一研究空白，本研究通过设置梯度轧制变形量，将TA15钛合金分别加工为厚板、中板、薄板三类典型规格，系统考察轧制变形量对板材微观组织演化、晶体织构形成规律及其与力学性能的关联机制。该研究可揭示TA15钛合金多尺度组织结构与性能的变形量依赖特性，填补厚板织构研究的理论空白，并为航空航天领域TA15钛合金构件选材提供厚度与性能匹配依据，优化厚板轧制工艺参数，推动高可靠性钛合金厚壁构件的工业化应用。
1、实验
本研究以TA15钛合金作为研究材料，其化学成分(质量分数,%)为:Al6.54、Mo1.72、V2.22、Zr 2.21、O0.15、Ti余量。采用2450mm大型可逆热轧机组，通过多火次控温轧制工艺，将初始厚度为250mm的TA15钛合金板坯分阶段轧制成70mm、40mm、10mm和2.0mm四种不同厚度的板材。
随后对不同厚度TA15钛合金板材开展系统的微观组织表征与力学性能测试。试样制备采用数控线切割设备，取样位置控制在板材厚度方向1/2处的心部区域，测试面为平行于板材轧制方向。微观组织分析采用分级制样工艺，依次使用400#至3000#砂纸进行机械研磨，随后采用金刚石研磨膏进行镜面抛光。化学腐蚀选用现场配制的混合酸溶液(HF:HNO3:乳酸=1:3:5,体积比)进行腐蚀,在室温下控制腐蚀时间8~12s以获得清晰组织。采用场发射扫描电子显微镜(JSM-6000F,加速电压20kV)配备的电子背散射衍射(EBSD)系统进行晶体学分析。力学性能测试采用Instron 5985型电子万能试验机进行静态拉伸实验。测试遵循GB/T 228.1-2021标准，设置初始应变速率为1x10-3s-1,为保障数据可靠性,每组参数测试至少重复3个有效试样。
2、试验结果与分析
2.1金相组织
图1为不同厚度TA15钛合金板材的微观组织形貌，发现厚度为70mm及40mm板材的组织形貌(图1a、图1b)较为接近，二者均是由初生α相(位置A)以及次生α相(位置B)构成。随着轧制变形量增加，发现厚度为10mm板材的组织形貌(图1c)产生明显变化，此时组织中初生α相变成明显的条状形貌，沿着轧制方向均匀排列，而次生α相变得模糊不清。继续增加轧制变形量，厚度为2mm板材的组织形貌(图1d)进一步产生变化，组织中晶粒细化明显，组织由大量细小等轴晶粒构成。
轧制变形量较低时，轧制应力不足以完全破碎原始组织中的α相，晶粒可能保留较大的原始尺寸，仅引起局部晶粒转动或轻微拉长。此外，由于轧制变形量较小，轧制过程中动态再结晶不充分，次生α相在β→α相变时沿晶界或缺陷处析出，形成图1a、图1b的组织形貌。轧制变形量增大时，初生α相在较大的剪切应力作用下沿轧制方向拉长，形成条状排列[10]。而高应变导致位错密度升高，次生α相被位错切割或溶解，边界模糊化，形成图1c的组织形貌。继续增加轧制变形量，大变形使组织中α相完全发生断裂破碎，并通过应变诱导晶界迁移以及动态再结晶，导致晶粒细化，并形成图1d中的等轴晶粒形貌。
2.2晶体结构
图2为不同厚度TA15钛合金板材的极图,发现厚度为70mm及40mm板材的极图类型接近(图1a、图1b),二者均为R型与近B型的混合织构,且织构强度接近，分别为5.27与5.3。厚度为10mm板材的极图类型发生转变，为B型与近T型的混合织构，此时织构强度为7.6。而厚度为2mm板材的极图则是以及B型为主，并存在较弱的近T型与近R型的混合织构，但织构强度进一步增加至8.95。即随着轧制变形量的增加，合金的织构类型会发生变化，且织构强度不断增加。
在轧制过程中，随着变形量的增加，内部组织产生变形程度增加，更大的变形会导致晶粒的破碎和细化，使晶粒取向发生转变，从而影响织构类型。此外，在轧制过程中，晶界会发生迁移和演变，晶粒也会发生转动，随着变形量的增加，这些过程更加剧烈，导致织构类型发生变化。此外，在轧制变形量增加过程中，晶粒之间的取向差也会随之增大，使得晶体在特定方向上的排列更加有序，从而增加了织构强度[13]。
2.3拉伸性能
图3为不同厚度TA15钛合金板材的拉伸性能，发现在轧制变形量增加的过程中，合金强度处于不断增加过程中，其中抗拉强度(Rm)由995MPa增至1075MPa,屈服强度(Rp02)由890MPa增至968MPa。但合金塑性整体较为平稳，降低幅度较小,断后伸长率(A)由25%降至20%。
在进行拉伸试验时，当外加拉应力沿组织中晶粒界面传播遇到障碍时，微裂纹的扩展过程会在晶粒界面处引发位错塞积现象。这种位错塞积效应与裂纹尖端应力场的协同作用，促使组织内部产生微孔洞形核。随着拉伸变形持续进行，微裂纹的扩展机制逐渐转变为微孔洞的聚集与连通，最终引发合金发生断裂[14]。轧制变形量越大，产生的较大变形量导致组织内部产生显著的点阵畸变，从而储存了更高的变形能。这种高储存能为后续再结晶过程提供了充足的形核驱动力，促使再结晶晶粒显著细化。在拉伸变形时，这些细小的晶粒结构能够更有效地阻碍位错运动，导致位错在晶界处大量堆积形成塞积群，要克服这种强化效应并使位错重新启动，需要施加更大的外应力，宏观表现为板材强度增加。
由图2可知,轧制变量增加会使织构强度不断增加。当板材具有强织构时，大部分晶粒的滑移面与拉伸方向呈不利取向，使得滑移系难以开动，从而需要更高的应力才能引发塑性变形，宏观表现为更高的强度[16]。此外，强织构意味着晶粒取向高度一致，即相邻晶粒的滑移系取向相近，致使位错在滑移过程中难以通过晶界转向，导致位错塞积加剧，形成更强的位错强化效应，从而增加板材强度。
3、结论
(1)当板材厚度由70mm减至40mm时,组织形貌保持相对稳定，主要由初生α相和次生α相组成;当厚度进一步减小至10mm时,初生α相发生明显取向排列，呈现沿轧制方向的条状特征;最终当厚度达到2mm时，组织发生完全再结晶，形成均匀细小的等轴晶结构。
(2)70mm及40mm板材的极图为R型与近B型的混合织构，10mm板材的极图为B型与近T型的混合织构，2mm板材的极图则是以及B型为主，并存在较弱的近T型与近R型的混合织构，且随着轧制变形量的增加，织构强度不断增加。
(3)在轧制变形量增加的过程中,合金强度处于不断增加过程中,其中抗拉强度(Rm)由995MPa增至1075MPa,屈服强度(Rp02)由890MPa增至968MPa。但合金塑性整体较为平稳，降低幅度较小，断后伸长率(A)由25%降至20%。
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（注，原文标题：轧制变形量对TA15钛合金板材组织、织构与力学性能的影响）
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