TC18鈦合金熱加工圖構建、分析及有效性驗證

張永強，郭鴻鎮，雷文光，韓 棟，毛小南

(1.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)(2.西北工業大學，陜西 西安 710072)

TC18鈦合金熱加工圖構建、分析及有效性驗證

張永強1，郭鴻鎮2，雷文光1，韓 棟1，毛小南1

(1.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)(2.西北工業大學，陜西 西安 710072)

基于動態材料模型，建立了TC18鈦合金的熱加工圖，分析了能量耗散率、非穩定參數和熱加工圖隨應變速率、變形溫度的變化規律。結果表明，在800～900 ℃范圍內，應變速率對TC18鈦合金的熱變形能量分配影響較為顯著。不同應變下的能量耗散率峰值對應的變形工藝參數均為變形溫度800～820 ℃、應變速率5×10-4～1×10-3s-1，該參數即為TC18鈦合金等溫壓縮變形的最佳工藝參數范圍。隨著應變增大，820 ℃/1×10-2s-1附近的非穩定變形區域逐漸縮小，當應變達到0.3時消失；而(860～900)℃/(1～10)s-1的非穩定區隨應變增大而逐漸擴大，并向低溫區域擴展。

TC18鈦合金；高溫塑性變形；熱加工圖

0 引 言

TC18鈦合金是一種高強近β型鈦合金，其名義成分為Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，相當于俄羅斯的BT22鈦合金，經強化處理后強度可達1 300 MPa，適合制造飛機大型承力構件[1]。在熱加工過程中，TC18鈦合金容易出現組織不均勻、局部過熱、絕熱剪切帶等缺陷，會給零件的成形及組織控制帶來困難。因此，研究TC18鈦合金變形工藝對其高溫變形行為的影響規律，對于控制鍛件的組織性能，合理制定和優化TC18鈦合金的成形工藝參數具有指導意義。

基于動態材料模型建立的熱加工圖能夠反映材料變形時內部微觀組織的演變規律，并可揭示材料可加工性的內在機理，從而指導材料熱加工工藝參數的制定[2]。近年來，動態材料模型及其基礎上的熱加工圖得到了廣泛應用并不斷完善[3-5]。本研究基于動態材料模型，建立了TC18鈦合金高溫塑性變形的熱加工圖及其分布區域圖，為該合金熱變形機理分析及高溫塑性變形工藝優化提供理論依據。

1 實 驗

實驗用原材料為TC18鈦合金鍛造棒材，相變點為885 ℃。沿棒材軸向切取φ8 mm×12 mm的圓柱形試樣，試樣上下端面加工有潤滑劑貯存槽。實驗設備為Gleeble-1500熱模擬試驗機。熱模擬壓縮試驗溫度為800、820、840、860、880 ℃，應變速率為5×10-4、10-3、10-2、10-1、1、10 s-1。在不同的變形溫度和應變速率下，將試樣以10 ℃/s的升溫速率加熱到變形溫度，保溫5 min，之后沿高度方向以恒應變速率壓縮試樣，變形量為60%。用焊接在試樣側面中部的熱電偶對試樣進行實時測溫，并通過閉環溫控系統控制壓縮溫度，實現等溫變形。熱模擬試驗機自動采集相關數據，輸出載荷-行程和流動應力-應變等數據。對試驗所得數據進行修正，得到最終的應力-應變數值。

2 熱加工圖構建理論

2.1 動態材料模型

動態材料模型可以揭示材料塑性變形中能量耗散的方式，反映材料的變形機理，預測變形過程中各種缺陷的產生，優化加工工藝參數。

根據動態材料模型，承受變形的鍛件是一個非線性能量耗散單元。外界對鍛件輸入的能量主要貢獻于兩個方面：一是塑性變形，耗散能量用G表示；二是微觀組織演變，耗散能量用J表示。其中，塑性失穩和斷裂過程與G有關，微觀組織演變與J相關。

在動態材料模型中，能量耗散率η反映了不同變形工藝下微觀組織演變耗散能量的利用率，能量耗散率越高，則用于組織演變的能量值越高，所以，能量耗散率的峰值對應于最佳的工藝參數。經分析計算，能量耗散率的公式如下：

(1)

式中，m為應變速率敏感性指數。

2.2 塑性失穩判據

塑性變形過程中的失穩現象主要包括絕熱剪切帶形成、局部塑性流動、空洞形核、開裂等。為了預測合金的流動穩定性，Prasad等[7]根據Ziegler[8]提出的最大熵產生率原理，認為流動不穩定性的判據為：

(2)

2.3 熱加工圖構建方法

3 熱加工圖建立及分析

3.1 能量耗散率計算

圖1 TC18鈦合金高溫壓縮變形時的曲線圖(ε=0.5)TC18 titanium alloy

(3)

應變速率敏感性指數(m)可表示為：

(4)

圖2 TC18鈦合金高溫壓縮變形時的能量耗散率圖(ε=0.5)Fig.2 Power dissipation efficiency map in the isothermal compression of TC18 titanium alloy

從圖2可以看出，能量耗散率值隨變形溫度的升高和應變速率的增加而減小，能量耗散率峰值出現在低應變速率區域。

3.2 非穩定參數計算

(5)

圖3 TC18鈦合金高溫壓縮變形時的非穩定圖(ε=0.5)Fig.3 Instability map in the isothermal compression of TC18 titanium alloy

3.3 熱加工圖建立及分析

將TC18鈦合金能量耗散率圖(圖2)和非穩定圖(圖3)疊加，即可得到TC18鈦合金在應變為0.5時的熱加工圖，如圖4所示。圖4中的等值線是能量耗散率η值，陰影部分表示非穩定變形區。疊加后的熱加工圖既可以體現材料加工工藝參數對能量耗散值的影響，能夠據此選擇最佳的加工工藝參數，也可體現工藝參數對失穩狀態的影響，在選擇加工工藝參數時避開失穩區域。

圖4 TC18鈦合金高溫壓縮變形時的熱加工圖(ε=0.5)Fig.4 Processing map in the isothermal compression of TC18 titanium alloy

不同應變條件下，TC18鈦合金的熱加工圖如圖5所示。從圖5可以看出，不同應變下的能量耗散峰值都出現在低應變速率區域，而且隨著應變速率的增大，能量耗散率總體上呈減小趨勢，隨著溫度的升高，能量耗散率變化并不明顯，說明在800～900 ℃范圍內，應變速率對TC18鈦合金的熱變形能量分配影響較為顯著，而變形溫度的影響較小。隨著應變增加，TC18鈦合金的能量耗散率變化較小。

加工圖中功率耗散系數較高的區域對應適宜加工的區域。不同應變下的能量耗散率峰值對應的變形工藝參數均為：變形溫度800～820 ℃，應變速率5×10-4～1×10-3s-1，即為試驗范圍內TC18鈦合金等溫壓縮變形的最佳工藝參數。Prasad和Sasidhara[9]指出，能量耗散率大于0.45的區域一般會出現超塑性、組織球化、動態再結晶。本研究中TC18鈦合金能量耗散率峰值均大于0.45，說明在能量耗散率峰值對應的變形工藝參數下進行塑性加工，TC18鈦合金可能具有超塑性。

圖5 不同應變下TC18鈦合金的熱加工圖Fig.5 Processing maps of TC18 titanium alloy at different strains

另外，從圖5還可以看出，隨著應變的增大，非穩定區域(圖中陰影部分)呈現出有規律的變化。當應變為0.1和0.2時，非穩定變形區主要由兩部分組成：820 ℃/0.01 s-1附近非穩定區和(860～900)℃/(1～10)s-1范圍非穩定區；隨著應變增大，820 ℃/0.01 s-1附近非穩定區域逐漸縮小，當應變達到0.3時進入穩態流動階段，而(860～900)℃/(1～10)s-1的非穩定區則逐漸增大，并向低溫區域擴展；在應變達到0.5時，800 ℃/0.1 s-1附近區域出現失穩流動；隨著應變的進一步增大，800 ℃/0.1 s-1附近失穩區域逐漸變大，當應變達到0.8時，該失穩區域和(860～900)℃/(1～10)s-1的失穩區域幾乎連接成一個整體。如果在非穩定變形區內進行塑性變形，微觀組織可能會出現各種不利的缺陷，如空洞、楔形裂紋、絕熱剪切帶等，所以應避免在這個區域內進行塑性加工。

為了易于理解TC18鈦合金的本質熱變形行為，將以上對TC18鈦合金的加工圖中的各區域總結于圖6中(圖中所示各區域范圍只是大概范圍)。從圖中可以看出，TC18鈦合金有三個加工安全區：高溫低應變速率區域I、低溫低應變速率區域II和低溫高應變速率區域III。

在此基礎上可以對TC18鈦合金的生產工藝進行設計，其原則如下。建議優先選擇低溫低應變速率

圖6 TC18鈦合金熱加工區域分布圖Fig.6 Distribution of processing map of TC18 titaium alloy

區域II，該區的功率耗散效率較高，為動態再結晶區，避開了失穩區，加工性能好，并且組織易于控制。II區的功率耗散效率峰值對應的應變速率為5×10-4～1×10-3s-1，該應變速率與液壓機的應變速率相對應，因此在加工大型結構件時可以在該動態再結晶區域內選擇確定液壓機的工藝參數。區域II的溫度范圍和應變速率范圍都很窄，可以采用等溫鍛造的方法嚴格控制鍛造溫度和應變速率。I區的功率耗散效率小于II區，但是該區的加工范圍很大，溫度范圍為840～900 ℃，應變速率為5×10-4～1 s-1，適合在不具備精確控制溫度和應變速率的條件下加工零件。在820 ℃、應變速率為1×10-2s-1進行小應變變形時出現失穩流動，真應變0.2以下時，處于臨界變形區，且由于820 ℃可能處于動態再結晶的臨界溫度，所以出現變形失穩。另外，在高應變速率下(1×10-2～1 s-1)，變形溫度為820 ℃時處于熱加工的“安全區”，該應變速率與軋制、擠壓和錘鍛的應變速率相對應，因此在加工該合金的板材、棒材和餅材時，可以在該動態再結晶區域內選擇相應的軋制、擠壓和錘鍛的熱變形參數。

4 熱加工圖有效性驗證

根據上述熱加工區域分布圖，對TC18鈦合金進行了等溫鍛造試驗，試驗方案如表1所示。該方案對應圖中的Ⅰ區域頂端和中部。

表1 TC18鈦合金等溫鍛造試驗參數

Table 1 Experimental parameters of TC18 alloy isothermal forging

按照表1給出的試驗參數鍛造TC18鈦合金，其顯微組織見圖7。

圖7 TC18鈦合金等溫鍛造后的顯微組織Fig.7 Microstructures of TC18 titanium alloy after isothermal forging

從圖7可以看出，等溫鍛造后合金的顯微組織比較均勻，再結晶充分，無裂紋、空洞、絕熱剪切帶等失穩現象產生。

表2為等溫鍛造后TC18鈦合金的力學性能。從表2可以看出，等溫鍛造后TC18鈦合金的力學性能均滿足技術條件要求[10]。

表2 TC18鈦合金等溫鍛造后的力學性能

Table 2 Mechanical properties of TC18 titanium alloy after isothermal forging

由此可以看出，在熱加工區域分布圖確定的有利加工區進行熱加工，TC18鈦合金的顯微組織和力學性能均滿足技術要求，說明建立的熱加工區域分布圖對于材料熱加工參數的選擇具有一定指導意義。

5 結 論

(1)在800～900 ℃范圍內，應變速率對TC18鈦合金的熱變形能量分配影響較為顯著。

(2)不同應變下的能量耗散率峰值對應的變形工藝參數均為變形溫度800～820 ℃、應變速率5×10-4～1×10-3s-1，該參數即為試驗范圍內TC18鈦合金等溫壓縮變形的最佳工藝參數范圍。

(3)當應變為0.1時，在820 ℃/1×10-2s-1附近存在非穩定變形區域，該區域隨著應變增大而逐漸縮小，當應變達到0.3時消失。隨著應變增大，(860～900)℃/(1～10)s-1的非穩定區逐漸擴大，并向低溫區域擴展。

(4)建立的TC18鈦合金熱加工區域分布圖，對該合金的熱加工參數選擇具有一定的指導意義。

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Establishiment, Analysis and Validation of Processing Map for TC18 Titanium Alloy

Zhang Yongqiang1,Guo Hongzhen2,Lei Wenguang1，Han Dong1,Mao Xiaonan1

(1.Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xi’an 710016,China)(2.Northwest Polytechnical University,Xi’an 710072,China)

The processing map for TC18 titanium alloy was established based on dynamic materials modeling.The influences of strain rate and deformation temperature on the energy dissipation rates,instability parameters and thermal processing maps were analyzed.The results show that,in the range of 800 ℃ to 900 ℃,strain rate has a significant effect on the energy distribution of TC18 titanium alloy.The deformation process parameters corresponding to peak power dissipation efficiency at different strain rate were all in range of 5×10-4s-1to 1×10-3s-1at 800 ℃ to 820 ℃,namely the better technological parameter range of isothermal compression deformation for TC18 titanium alloy.As the strain increases,the area of instability near the range of 820 ℃/1×10-2s-1gradually reducs,which enteres the stage of steady state flow when the strain reaches 0.3.The area of instability in the range of 1 s-1to 10 s-1at 860 ℃ to 900 ℃gradually expands to the lower temperature region with the strain rate maintains between 1 s-1to 10 s-1along with the strain increases.

TC18 titanium alloy;high-temperature plastic deformation; processing map

2014-11-12

收稿日期：國家973資助項目(2011CB012805)

張永強(1987—)，男，碩士。