TC18合金熱壓縮變形行為研究

劉 勇，陳 濤，朱景川，周 易，周 飛

(哈爾濱工業大學材料科學與工程學院，150001)

TC18鈦合金是一種近β型鈦合金，具有較高的強度和優良的塑性，室溫屈服強度可達1 100 MPa，同時保持較高的伸長率，廣泛應用于飛機起落架等航空結構件。關于TC18鈦合金的組織、性能和熱處理工藝方面等已經進行了廣泛的研究［1-4］。關于TC18鈦合金的熱變形行為，是合金進行熱加工的理論基礎。但關于此的研究并沒有深入進行。鑒于此，本文展開來TC18合金熱壓縮行為的研究。

1 試驗材料和方法

本試驗選用寶雞鈦業股份有限公司生產提供的Φ100mm的TC18鈦合金棒材，熱軋態。成分如表1所示。

表1 TC18鈦合金成分 /%

采用GLEEBLE1500D型熱模擬機進行熱壓縮試驗。利用線切割加工出直徑為8mm，長12mm的小圓柱，加工時注意保證圓柱兩端面的平行度和圓度。試驗前用砂紙對試樣進行打磨，除掉線切割的痕跡并使表面光滑。根據TC18鈦合金的相變點875℃，設計了32組熱壓縮實驗。包含8個溫度，每個溫度下有4個應變速率。試驗溫度分別為:650℃，700℃，750℃，810℃，850℃，900℃，950℃，1 000℃;應變速率分別為:1s-1，0.1s-1，0.01s-1，0.001s-1。TC18鈦合金的金相組織照片如圖1所示。從圖中可以看出，TC18鈦合金金相組織主要由α+β兩相組成，β相均勻分布在α相的基體上。

圖1 TC18鈦合金原始樣金相

2 試驗結果

2.1 TC18合金流變行為

圖2所示為試驗得到的雙相區真應力-真應變曲線。可以看出，TC18合金對溫度和應變速率非常敏感。650℃變形時，應變速率為0.001s-1時，開始階段由于加工硬化占優勢，流變應力呈現迅速上升的現象，而后由于再結晶和回復的作用使軟化作用加強，流變曲線上出現峰值并進入穩態階段。應變速度由1降到0.001s-1時，峰值流變應力由400MPa降低到低于100MPa。而在應變速率為1s-1時，變形溫度由650℃提高到850℃，峰值流變應力由400MPa下降到200MPa。同時在較低溫度和較高應變速率條件下流變曲線呈現典型的單一峰值的再結晶的特征。隨變形溫度的提高和變形速率的降低，加工硬化的趨勢減弱，單一峰值的再結晶特征也不斷減弱。在變形溫度高于750℃時，流變曲線出現“抖動”的現象，出現多峰值的再結晶的特征。

試驗得到的β單相區真應力-真應變曲線如圖3所示。可以看出，TC18合金對溫度和應變速率非常敏感性減弱。同時流變曲線出現了很長階段的平緩階段，而后在較大應變時出現了標志再結晶的峰值應力。這說明在β單相區熱變形時先出現長階段的回復，在回復的基礎上大應變條件才導致了再結晶的產生。同時在應變速率為1S-1時，流變曲線出現的“抖動”現象，這是由于應變速率較高，加工變形導致的硬化和回復導致的軟化現象交替出現而產生。

2.2 TC18鈦合金熱變形激活能的計算

目前在鈦合金熱變形特性的研究中，通常采用由Jonas提出的包含應變激活能Q和變形溫度T的雙曲線正弦形式的流變應力模型［5，6］，

式中˙ε——應變速率;

σ*——穩態流變時的峰值應力;

A1、β——相關常數;

Q——變形激活能;

R——氣體常數;

T——熱力學溫度。

在650℃、700℃、750℃和800℃時，ln˙ε-σ*曲線擬合的相關系數為0.979、0.962、0.997、曲線的相關系數為0.999、0.996、0.987、0.965，擬合效果較好。兩邊取對數，進行多元線性回歸，經過整理，可得在650℃-810℃的雙相區，峰值流變應力的方程為:

計算得，應變激活能Q=336.356kJ/mol。

在β單相區，屬于低應力水平，可以用下式描述:

σ*——穩態流變時的峰值應力;

A1——相關常數;

Q——變形激活能;

R——氣體常數;

兩邊取對數，則有:

因此，在T不變時，ln˙ε-lnσ*應為直線關系;在應變速率不變時也應為直線關系。如圖5所示。

圖2 TC18鈦合金熱壓縮真應力-真應變曲線

對峰值流變應力進行線性回歸整理，可得在單相區的峰值流變應力本構方程為:

進一步處理可得:單相區的應變激活能為:Q=260.84kJ/mol，小于雙相區的應變激活能Q=336.356kJ/mol。這是符合預期的。因為單相區主要是β相存在，β相是體心立方結構，易于變形，因此應變激活能要小。

2.3 TC18鈦合金流變應力本構方程

根據不可逆熱力學理論，變形抗力與加熱溫度、變形速率、變形量存在如下關系［5，6］:

兩邊取對數，可得:

圖6給出了50、700、750和800℃不同溫度下lnσ與曲線。

擬合結果表明，最小的關系系數也達到了0.95。結合以上數據，經過多元線性回歸并整理后，可得TC18鈦合金在650℃～810℃間的變形抗力方程為:

圖3 TC18鈦合金熱壓縮真應力-真應變曲線

圖4 兩相區變形本構方程擬合

圖5 單相區流變應力擬合

圖6 變形抗力擬合

關系系數R=0.958，達到較好的擬合效果。同雙相區類似，可得單相區的變形抗力方程:

3 結語

(1)TC18鈦合金在α+β雙相區變形時，在較低溫度和較高應變速率條件下流變曲線呈現典型的單一峰值的再結晶，并且隨變形溫度的提高，出現多峰值的再結晶的特征。

(2)TC18鈦合金在β單相區變形時，流變曲線出現了很長階段的平緩階段，而后在較大應變時出現了標志再結晶的峰值應力，說明在β單相區熱變形時先出現長階段的回復，在回復的基礎上大應變條件才導致了再結晶的產生。

(3)計算得到，TC18鈦合金β單相區的變形激活能為:Q=260.84kJ/mol，α+β雙相區的應變激活能Q=336.356kJ/mol。

(4)經過擬合，分別得到TC18鈦合金在α+β雙相區和β單相區變形的流變應力本構方程。

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