TC17鈦合金兩相區變形時的失穩行為及組織特征

劉繼雄，岳 旭，楊 軍，王永強，張平輝，王鼎春，高 頎

(寶鈦集團有限公司， 寶雞 721014)

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TC17鈦合金兩相區變形時的失穩行為及組織特征

劉繼雄，岳 旭，楊 軍，王永強，張平輝，王鼎春，高 頎

(寶鈦集團有限公司， 寶雞 721014)

摘要：利用Gleeble 3800型熱模擬試驗機對TC17鈦合金在兩相區進行了等溫恒應變速率的熱壓縮試驗，分析了壓縮失穩的變形條件;采用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡研究了壓縮變形后試樣的顯微組織。結果表明：TC17鈦合金在熱變形溫度750 ℃、應變速率不小于1 s-1、變形量不小于45%下進行熱壓縮時，會發生變形失穩；變形失穩后，隨變形量和應變速率增加，其失穩區變窄，組織變形不均勻性加劇；失穩區主要是β轉變組織變形。

關鍵詞：TC17鈦合金；熱變形；失穩行為；兩相區

0引言

TC17(Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr)鈦合金作為一種近β型兩相鈦合金，具有良好的中溫強度、淬透性、疲勞和斷裂韌性等性能，在航空領域，特別是航空發動機的風扇和壓氣機盤件上應用廣泛[1]。

利用熱模擬技術研究鈦合金熱變形行為和組織演變規律是目前的研究熱點[2]。曾衛東等[3-8]早期研究了TC17鈦合金熱變形的本構方程和加工圖，近幾年主要研究TC17鈦合金片層組織的球化規律，包括球化動力學行為、動態球化及靜態球化規律；李淼泉等[9-12]也開展了相關研究，主要研究具有片層組織的TC17鈦合金在780～860 ℃、應變速率0.001～10 s-1下熱變形時的本構方程和加工圖。通過加工圖，可以獲得適宜的加工工藝區間，同時可以確定變形失穩、絕熱剪切等變形失效的區域。

塑性失穩主要是指當材料所受載荷達到某一臨界值時，即使載荷下降，塑性變形還會繼續，出現剪切帶、頸縮、皺曲、墩粗等塑性變形現象的行為。目前，具有α+β兩相區組織的TC17鈦合金在750 ℃及以下溫度時的變形失穩行為還沒有相應的報道，開展相關研究有助于了解TC17鈦合金的加工特性，對合理制定其加工工藝具有重要意義。

為此，作者以TC17鈦合金為試驗材料，利用熱模擬試驗機進行了等溫恒應變速率熱壓縮試驗，研究了變形量、應變速率等因素對其失穩行為的影響，并分析了失穩變形后的顯微組織特征。

1試樣制備與試驗方法

試驗材料為TC17鈦合金棒，尺寸為φ250 mm×110 mm，化學成分見表1,其熱處理制度為840 ℃×1 h空冷+800 ℃×4 h水淬+630 ℃×4 h空冷，相變點為880～890 ℃。TC17鈦合金在α+β兩相區鍛造成形后，其組織細小均勻，α相尺寸小于10 μm，如圖1所示。

表1　TC17鈦合金的化學成分(質量分數)Tab.1　Chemical composition of TC17 titaniumalloy (mass)　%

圖1　鍛態TC17鈦合金的顯微組織Fig.1　Microstructure of forged TC17 titanium alloy

2試驗結果與討論

2.1　不同變形量下的變形行為

從圖2可以看出，壓縮時合金的流變應力達到峰值應力后隨應變的增加而下降，峰值應力為490MPa；當真應變達到0.6后，隨應變增加，應力保持穩定，為300MPa。

圖2　應變速率1 s-1下熱壓縮時試樣的真應力-真應變曲線Fig.2　True stress-true strain curves of the specimen during hotcompression at the strain rate of 1 s-1

由圖3可以看出，當變形量為45%(真應變0.598)時，試樣發生明顯的失穩，失穩方向與壓縮軸向成45°方向斜切；隨變形量的增加，試樣失穩進一步加劇。結合圖2可以發現，當試樣發生失穩時，其真應力-應變曲線開始出現平臺，應力隨應變的增加保持不變。

圖3　熱壓縮不同變形量后試樣的外觀Fig.3　Appearance of the specimens after hot compressionfor different deformation amounts

圖4中黑色區域為α相，基體為β轉變組織。由圖4可以看出，當變形量為15%時，α相以等軸狀為主，少量長條形；變形量為30%時，α相形態變形不明顯，針狀β轉變組織形態發生了輕微的變化；變形量為15%和30%時試樣均沒有發生失穩，組織變形隨變形量的增加相對均勻。

圖4　在應變速率1 s-1下熱壓縮不同變形量時試樣的顯微組織Fig.4　Microstructures of the specimen after hot compression for different deformation amounts at the strain rate of 1 s-1

從圖5可以看出，在750 ℃、應變速率1 s-1熱壓縮后，變形量為45%和60%的試樣中均存在明顯的失穩區；失穩區的β轉變組織沿失穩方向發生變形，形成類似帶狀組織，變形量為45%時其針狀組織部分消失，變形量為60%針狀組織已經很難觀察到，而α相沿失穩方向變形相對較小；變形量增加對非失穩區組織基本沒有影響。

圖5　在應變速率1 s-1下熱壓縮不同變形量時試樣的顯微組織Fig.5　Microstructures of the specimen after hot compression for different deformation amounts at the strain rate of 1 s-1(a, c) instability zone and (b, d) stability zone

2.2　不同應變速率下的變形行為

由圖6可以看出，當應變速率為0.1 s-1及以下時，應力隨應變的增加而降低；當應變速率為1 s-1和10 s-1時，試樣的真應力-真應變曲線出現了平臺，即應變增加，應力基本不變，隨后，隨應變增加，應力繼續下降；在應變速率1 s-1下，應力恒定時的應變范圍較大，為0.63～0.85，而應變速率為10 s-1下的應變范圍則較小。

圖6　在不同應變速率下熱壓縮時試樣的真應力-真應變曲線Fig.6　True stress-true strain curves of the specimen during hotcompression at different strain rates

由圖7可以看出，試樣失穩變形后，其組織沿失穩方向對稱分布(圖中箭頭方向)，形成了剪切帶，最大變形量發生在失穩區(圖中虛線)；應變速率由1 s-1增大到10 s-1時，失穩區變窄，失穩區內的組織變形更劇烈。

圖7　不同應變速率下熱壓縮變形量為60%時試樣截面的低倍組織Fig.7　Cross-section macrostructure of the specimen after hot compressionfor the deformation amount of 60% at different strain rates

圖8中的箭頭所指方向為變形失穩方向，由圖8可以看出，當應變速率從1 s-1增加到10 s-1后，α相發生了變形,從等軸狀變成長條狀,β轉變組織變形增強。由此可見,與變形量增加相比，增大應變速率可以使α相和β轉變組織同時發生大量塑性變形。2.3討論與分析

圖8　不同應變速率下熱壓縮變形量60%時試樣失穩區的顯微組織Fig.8　Microstructures in instability zone of the specimen after hot compression for the deformation amount of 60% at different strain rates

鈦合金在熱變形過程中，隨變形量的增加，位錯密度增加而引起加工硬化，流變應力增加；同時高溫下的動態回復和再結晶過程使位錯密度降低，又降低了其流變應力。TC17鈦合金在750 ℃熱變形時，應力在達到峰值后隨應變的增加而下降，這主要是動態回復和再結晶起主導作用而導致的。應變速率為0.001，0.01，0.1 s-1下的真應力在達到峰值后隨真應變增加平穩下降，此時試樣未發生失穩；應變速率為1，10 s-1時真應力在達到峰值后的平穩下降過程中出現平臺,此時，流變應力除受熱加工過程的影響外，還受失穩行為影響。失穩發生后，改變了金屬的流動特征，使金屬流動很不均勻。失穩區相對滑移變形的阻力是流變應力的一部分，阻力大時，可以使流變應力維持不變，阻力小時，流變應力繼續下降。

TC17鈦合金發生失穩行為時，主要是β轉變組織變形，α相變形相對較小，這是因為α相為密排六方晶體，其原子擴散能力和晶體變形能力相對較弱；β相為體心立方晶體，其原子擴散能力和晶體變形能力相對較強；變形時，滑移首先發生在較軟相中，變形主要集中在β轉變組織中。從圖4可以看出α相的形貌基本沒有發生變化，而β轉變組織的變化較大，也說明了變形主要由β轉變組織完成。

由上述的分析可以看出，熱壓縮過程中TC17鈦合金的失穩表現為發生了剪切，形成了剪切帶。正常的塑性變形過程是金屬整體協調實現均勻變形，而在TC17鈦合金熱壓縮過程中，主要是滑移過程協調變形;當應變速率較高時，變形量達到一定程度后出現了局部過量的滑移變形，應力進一步集中，從而出現失穩。

3結論

(1) TC17鈦合金在變形溫度為750 ℃、應變速率不小于1 s-1、變形量不小于45%時，會發生變形失穩。

(2) TC17鈦合金失穩后，當變形量從45%增大到60%時，失穩進一步加劇；當應變速率達到1 s-1時失穩，應變速率由1 s-1增大到10 s-1時，失穩區變窄。

(3) TC17鈦合金熱變形失穩后各部分變形不均勻性急劇增加，顯微組織不均勻；失穩區主要是β轉變組織發生變形。

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導師：李強教授

Instability Behavior and Microstructure Characteristic of TC17

Titanium Alloy Deformation on Two-Phase Region

LIU Ji-xiong, YUE Xu, YANG Jun, WANG Yong-qiang, ZHANG Ping-hui, WANG Ding-chun, GAO Qi

(Baoti Group Co. Ltd., Baoji 721014, China)

Abstract:The hot compression test at constant temperature and strain rate was conducted on TC17 titanium alloy in two-phase region using the thermal simulation testing machine Gleeble 3800 and the deformation condition resulted in compression instability was analysed. The microstructure of the TC17 titanium alloy after compression was studied by optical microscope and scanning electron microscope. The results show that the deformation instability of TC17 titanium alloy occurred when the heat distortion temperature was 750 ℃, the strain rate and deformation amount was no less than 1 s-1and 45% respectively. After deformation instability occurrence, with the increase of the deformation amount and strain rate, the instability zone narrowed and the microstructure deformation inhomogeneity intensified. In the instability zone, the deformation occurred mainly in β transformation microstructure.

Key words:TC17 titanium alloy; hot deformation behaviour; instability; two-phase region

作者簡介：李光(1988-)，男，陜西西安人，助理工程師，碩士。 鄭振環(1981-)，男，福建莆田人，實驗師，博士研究生。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51174165)；陜西省重點學科專項資金資助項目(YS37020203);西安石油大學“材料科學與工程”省級優勢學科資助項目

收稿日期:2014-12-06； 2014-11-02；

修訂日期:2015-10-23 2015-09-01

DOI:10.11973/jxgccl201512019 10.11973/jxgccl201512018

中圖分類號：TG146.23

文獻標志碼：A

文章編號：1000-3738(2015)12-0071-04