TC4-DT鈦合金熱變形機制及加工圖

雷文光，韓 棟，張永強，毛小南，李金山，楊冠軍

(1.西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710072) (2.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

TC4-DT鈦合金熱變形機制及加工圖

雷文光1,2，韓 棟2，張永強2，毛小南2，李金山1，楊冠軍1

(1.西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710072) (2.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

用Gleeble-1500型熱模擬機研究TC4-DT鈦合金在850～1 100 ℃、應(yīng)變速率0.001～10 s-1、變形量70%條件下的高溫壓縮熱變形行為，分析了該合金的流變應(yīng)力行為以及顯微組織演變規(guī)律，建立了該合金的本構(gòu)關(guān)系模型以及熱加工圖。研究結(jié)果表明，TC4-DT鈦合金在兩相區(qū)和β相區(qū)的熱變形激活能分別為544.03 kJ·mol-1和264.32 kJ·mol-1，分別大于純α相和純β相的自擴散激活能，表明TC4-DT鈦合金熱變形由高溫擴散以外的過程控制。在兩相區(qū)熱變形時，原始組織發(fā)生了不同程度的球化，且變形溫度越低球化效果越好。在β相區(qū)熱變形時，低應(yīng)變速率下(0.001～0.1 s-1)主要發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，而高應(yīng)變速率(1～10 s-1)下主要發(fā)生動態(tài)回復(fù)，動態(tài)再結(jié)晶行為受到抑制。TC4-DT鈦合金的失穩(wěn)區(qū)主要分布在低溫高應(yīng)變速率區(qū)域，變形溫度主要在850～940 ℃，應(yīng)變速率主要在0.1～10 s-1，功率耗散率η值小于28%。

TC4-DT鈦合金；熱變形；本構(gòu)關(guān)系；加工圖

0 引 言

隨著損傷容限設(shè)計準則在結(jié)構(gòu)材料設(shè)計中的廣泛應(yīng)用，開發(fā)損傷容限型鈦合金已成為各國鈦合金研究重點[1-2]。TC4-DT鈦合金作為我國自主研制的一種損傷容限型鈦合金，在強度、塑性、斷裂韌性和裂紋擴展速率方面具有較好的匹配，有望成為飛機用整體隔框、梁以及直升機用傳動部件等關(guān)鍵承力構(gòu)件[3-5]。

目前國內(nèi)對TC4-DT鈦合金的研究主要集中在損傷容限方面[6-8]，對其熱變形行為的研究較少。因此，對變形溫度、應(yīng)變速率對TC4-DT鈦合金流變應(yīng)力及顯微組織的影響規(guī)律開展了研究，建立該合金的熱變形本構(gòu)方程以及熱加工圖，分析其熱變形特點與組織演變規(guī)律，從而確定該合金的熱變形機制，為制定與優(yōu)化TC4-DT鈦合金熱加工工藝提供一定的理論依據(jù)。

1 實 驗

實驗材料選用兩相區(qū)軋制的25 mm厚TC4-DT鈦合金成品板材，主要化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))為：Al 5.95%，V 3.94%，F(xiàn)e 0.05%，O 0.05%，其余為Ti。金相法測得其相變點為(957±5) ℃。

將試樣加工成φ8 mm×12 mm的圓柱體，并在上下端面加工深度為0.2 mm的凹槽，用石墨作為潤滑劑加入到凹槽中，減少壓頭與試樣端面之間的摩擦。在Gleeble-1500型熱模擬試驗機上進行壓縮試驗。

將試樣以20 ℃/s的恒定加熱速度分別加熱到850、900、950、1 000、1 050、1 100 ℃，保溫5 min，使試樣內(nèi)部溫度均勻，進行應(yīng)變速率為0.001、0.01、0.1、1、10 s-1的等溫、恒應(yīng)變速率的熱壓縮變形，最大變形量為70%。整個過程由試驗機自動采集壓縮數(shù)據(jù)，并獲得真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。通過公式推導(dǎo)計算獲得TC4-DT鈦合金的本構(gòu)方程、功率耗散率以及失穩(wěn)系數(shù)，再對功率耗散圖及失穩(wěn)圖進行疊加從而獲得熱加工圖。壓縮完成后立即進行水淬以保留TC4-DT鈦合金組織，并沿軸向?qū)⒆冃魏蟮脑嚇忧虚_，利用OLYMPUS PMG3光學(xué)顯微鏡對變形后的組織進行觀察，試樣所用腐蝕劑配比為V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶2∶5。

2 結(jié)果與分析

2.1 TC4-DT鈦合金真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

TC4-DT鈦合金在不同溫度和應(yīng)變速率下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 TC4-DT鈦合金在不同溫度下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.1 True stress-true strain curves of TC4-DT titanium alloy at different temperatures

此外，流變應(yīng)力隨變形溫度的增加而下降，隨應(yīng)變速率的增加而上升。同時，隨著變形溫度的降低，達到峰值應(yīng)力所對應(yīng)的應(yīng)變逐漸增加，主要原因是隨著變形溫度的降低，合金的原子擴散能力減弱，容易發(fā)生硬化現(xiàn)象，使得峰值應(yīng)力所對應(yīng)的應(yīng)變增加。

在金屬材料的熱變形過程中，伴隨著加工硬化和軟化機制交互發(fā)生作用，并最終達到平衡[9]。鈦合金軟化機制主要有動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶。當動態(tài)再結(jié)晶占主導(dǎo)地位時，合金中位錯密度下降，合金發(fā)生明顯軟化，流變應(yīng)力曲線出現(xiàn)較大幅度的下降趨勢。

2.2 TC4-DT鈦合金熱變形本構(gòu)方程

本研究擬建立TC4-DT鈦合金的Arrhenius熱變形本構(gòu)方程，它有以下三種表達形式[10]。

低應(yīng)力水平時：

(1)

高應(yīng)力水平時：

(2)

適用于所有應(yīng)力水平的雙曲正弦形式：

(3)

當T為常數(shù)時，根據(jù)式(1)，(2)，(3)可得

(4)

(5)

(6)

對式(3)兩邊取對數(shù)得：

(7)

圖2 TC4-DT鈦合金峰值應(yīng)力與應(yīng)變速率及形變溫度的關(guān)系Fig.2 Relationship of peak stress, strain rate and temperature of TC4-DT titanium alloy

(8)

(9)

繪制ln[sinh(ασp)]-1/T曲線，如圖2d所示。其中在850～950 ℃溫度區(qū)間，n=4.912，Q=544.03 kJ·mol-1，A=e54.53，熱變形本構(gòu)方程為：

(10)

在950～1 100 ℃溫度區(qū)間，n=6.308，Q=264.32 kJ·mol-1，A=e28.85，熱變形本構(gòu)方程為：

(11)

圖3為原始態(tài)及不同變形溫度下TC4-DT鈦合金

的顯微組織。 由圖3a可見，原始組織為沿軋制方向拉長的條狀α組織，而在950 ℃以下，TC4-DT鈦合金相變不明顯，合金中仍以α相為主(見圖3b～c)，α相基本為等軸狀，熱變形激活能Q為544.03 kJ·mol-1左右，遠高于純α相的自擴散激活能204 kJ·mol-1[11]，說明此條件下的熱變形由高溫擴散以外的過程控制，主要與熱變形同時發(fā)生的相變行為有關(guān)。而當溫度高于950 ℃時，合金中大量α相向β相轉(zhuǎn)變，并且α相的形貌也發(fā)生變化，由等軸狀變?yōu)槠瑺?，可以觀察到β晶粒發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，隨著溫度的升高，動態(tài)再結(jié)晶程度增大，晶粒尺寸也隨之增大(見圖3d～f)，此時熱變形激活能Q為264.32 kJ·mol-1左右，大于純β相的自擴散激活能161 kJ·mol-1[12]，說明此條件下的熱變形機制由高溫擴散以外的過程控制。

圖3 原始狀態(tài)及不同形變溫度下的TC4-DT鈦合金顯微組織Fig.3 Original structure and microstructures of TC4-DT titanium alloy at different deformation temperatures

2.3 TC4-DT鈦合金動態(tài)再結(jié)晶行為

圖4為TC4-DT鈦合金在950～1 100 ℃、不同應(yīng)變速率下的顯微組織。從圖中可以看出，當TC4-DT鈦合金在β相區(qū)變形時，形成了網(wǎng)籃組織，β晶粒形狀隨變形溫度和應(yīng)變速率的不同發(fā)生了明顯變化。

圖4 TC4-DT鈦合金在不同應(yīng)變速率和溫度下的顯微組織Fig.4 Microstructures of TC4-DT titanium alloy at different strain rates and temperatures

當溫度為1 100 ℃、應(yīng)變速率為0.001 s-1時，由于應(yīng)變速率較低，高溫停留時間較長，使晶粒發(fā)生了長大，形成了粗大的β晶粒。當應(yīng)變速率為0.1 s-1時，有足夠的時間進行變形，發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，出現(xiàn)了再結(jié)晶晶粒。當應(yīng)變速率為1 s-1和10 s-1時，動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶兩種軟化機制共同作用，β晶粒沿金屬流動方向被壓扁拉長，在β晶粒中產(chǎn)生了明顯的彎曲變形帶，在變形晶粒的交叉處以及變形帶上有部分細小的等軸晶粒，證明發(fā)生了部分動態(tài)再結(jié)晶，但由于應(yīng)變速率較快，動態(tài)再結(jié)晶并不充分，軟化機制仍以動態(tài)回復(fù)為主。

當溫度為相變點附近(950 ℃)時，觀察到大量片層組織，等軸α相基本消失，主要是由于熱壓縮過程中產(chǎn)生的變形熱來不及釋放，導(dǎo)致合金內(nèi)部溫度急劇升高，發(fā)生α→β相轉(zhuǎn)變，經(jīng)水淬后形成大量β轉(zhuǎn)變組織。當應(yīng)變速率為0.01 s-1時，出現(xiàn)部分再結(jié)晶晶粒，發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶。當應(yīng)變速率為10 s-1時，有明顯的彎曲變形帶，發(fā)生了動態(tài)回復(fù)。

從以上分析可知，低應(yīng)變速率促進動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，這是因為應(yīng)變速率較低時，TC4-DT鈦合金有充分的時間進行再結(jié)晶。而在較大的應(yīng)變速率下，位錯來不及交滑移和攀移，不容易相互抵消，導(dǎo)致位錯密度急劇上升，此外由于變形時間短，動態(tài)再結(jié)晶無法充分進行，因此軟化機制以動態(tài)回復(fù)為主。

2.4 TC4-DT鈦合金的熱加工圖及其分析

Prasad等人[13]將基于動態(tài)材料模型建立起來的熱加工圖成功應(yīng)用于多種合金。該模型把變形體作為一個功率耗散體，變形時將外界輸入變形體的功率消耗在以下兩個方面：①塑性變形引起的粘塑性熱；②變形過程中組織變化而耗散的功率，而兩部分能量的分配比例由應(yīng)變速率敏感指數(shù)m決定，當m=1時材料處于理想線性耗散狀態(tài)。通過對比組織演變所耗散的能量與理想線性耗散的能量，可得到材料的功率耗散率η，如下式所示：

(12)

利用η建立功率耗散圖。Prasad等根據(jù)最大熵產(chǎn)生率原理[14]提出材料流變失穩(wěn)準則：

(13)

圖5給出TC4-DT鈦合金在真應(yīng)變?yōu)?.6時的熱加工圖。

圖5 TC4-DT鈦合金熱加工圖Fig.5 Hot processing map of TC4-DT titanium alloy

圖中陰影部分表示流變失穩(wěn)區(qū)，功率耗散率由等值線上的數(shù)字表示。從圖5中可以看出，在應(yīng)變速率為0.001 s-1，變形溫度為870 ℃左右時，功率耗散率達到最大值，為49%左右。

在高應(yīng)變速率區(qū)(圖5上方)，功率耗散率η值為0%～30%，且η值隨應(yīng)變速率的增加而降低，此區(qū)域為流變失穩(wěn)區(qū)，合金的熱加工性能急劇下降。這主要是由于形成的剪切變形帶使得大部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，此時的功率耗散率η值較低，最小值位于加工圖的左上角。

在低應(yīng)變速率、兩相區(qū)較低溫度下(圖5左下角)，η值為33%～49%，此區(qū)域為熱加工的安全區(qū)。在此區(qū)域的片狀α組織發(fā)生不同程度的球化，也是一種動態(tài)再結(jié)晶。由圖3可見大部分片狀α組織被拉長、斷裂后，逐步球化，且溫度越低球化效果越好。

在低應(yīng)變速率、高溫區(qū)(圖5右下角)，η值為28%左右，此區(qū)域的變形組織為粗大魏氏組織，發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶(圖4a)，在高應(yīng)變速率下的變形組織中未發(fā)現(xiàn)明顯的動態(tài)再結(jié)晶(圖4c)，而是在垂直于壓縮的方向上β晶粒被拉長，發(fā)生了動態(tài)回復(fù)。

TC4-DT鈦合金的失穩(wěn)區(qū)主要分布在低溫高應(yīng)變速率區(qū)域，變形溫度范圍主要在850～940 ℃，應(yīng)變速率范圍主要在0.1～10 s-1，功率耗散率η值小于28%。故當TC4-DT鈦合金在兩相區(qū)實際加工過程中，應(yīng)變速率應(yīng)控制在0.1 s-1以下。

3 結(jié) 論

(1)TC4-DT鈦合金熱變形過程中的流變應(yīng)力隨變形溫度的升高以及應(yīng)變速率的降低而顯著下降，當應(yīng)變達到一定值后，流變應(yīng)力開始下降并趨于平穩(wěn)。

(2)TC4-DT鈦合金在兩相區(qū)和β相區(qū)的熱變形激活能分別為544.03 kJ·mol-1和264.32 kJ·mol-1，分別大于純α相和純β相的自擴散激活能，表明TC4-DT鈦合金熱變形由高溫擴散以外的過程控制。

(3)在α+β兩相區(qū)熱變形時，原始片狀α組織發(fā)生不同程度的球化，且溫度越低球化效果越好，且在高應(yīng)變速率下變形時容易發(fā)生非穩(wěn)態(tài)流動。在β相區(qū)熱變形時，低應(yīng)變速率下(0.001～0.1 s-1)主要發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，而在高應(yīng)變速率(1～10 s-1)下主要發(fā)生動態(tài)回復(fù)。

(4)TC4-DT鈦合金的失穩(wěn)區(qū)主要分布在低溫高應(yīng)變速率區(qū)域，變形溫度范圍主要在850～940 ℃，應(yīng)變速率范圍主要在0.1～10 s-1，功率耗散率η值小于28 %。故在實際兩相區(qū)加工過程中，應(yīng)變速率應(yīng)控制在0.1 s-1以下。

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Hot Deformation Mechanism and Processing Map of TC4-DT Titanium Alloy

Lei Wenguang1,2,Han Dong2, Zhang Yongqiang2, Mao Xiaonan2, Li Jinshan1, Yang Guanjun1

Hot compressive deformation of TC4-DT titanium alloy was carried out with the hot-simulation machine of Gleeble-1500 at the deformation degree of 0.7, over the range of deformation temperature from 850 ℃ to 1 100 ℃, strain rate from 0.001 s-1to 10 s-1. The deformation behavior and microstructure evolution were analyzed, meanwhile the constitutive model and hot processing map were set up. The results reveal that the deformation activation energy of TC4-DT titanium alloy are 544.03 kJ·mol-1in two-phase region and 264.32 kJ·mol-1inβphase region respectively, larger than self diffusion activation energy of pureαandβphase,which shows the thermal deformation of TC4-DT titanium alloy is controlled by high temperature diffusion process. When the alloy is deformed in two-phase region, the globularization intensity increases obviously with temperature decreasing. In theβphase region, the dynamic recrystallization occurs at low strain rate (0.001 s-1to 0.1 s-1) and the dynamic recovery occurs at high strain rate (1 s-1to 10 s-1). Furthermore, the instability zone of TC4-DT titanium alloy is mainly distributed in the low temperature and high strain rate region where the deformation temperature range from 850 ℃ to 940 ℃, the strain rate range from 0.1 s-1to 10 s-1,and the power dissipation rate (η) is lesser than 28%.

TC4-DT titanium alloy;hot deformation;constitutive relation;processing map

2014-11-10

國家自然科學(xué)基金青年基金項目(51201138)

雷文光(1983—)，男，博士研究生。

(1.State Key Laboratory of Solidification Processing，Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China) (2.Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xi’an 710016, China)