TC27鈦合金的熱變形行為及加工圖

李雪飛，沙愛學，黃 旭，黃利軍

(北京航空材料研究院 先進鈦合金航空科技重點實驗室，北京 100095)

0 引 言

TC27鈦合金是一種性能優良的高強、高韌和高淬透性鈦合金，非常適合制造大型承力構件，其綜合性能與國外已獲得批量應用的高性能Ti55531合金相當[1]。TC27鈦合金是TC18鈦合金的改進型，其合金成分中用Nb元素代替Cr元素，使其具有更高的強度，能夠滿足飛機結構設計中需要更高強度的結構部件的要求。與使用高強鋼相比，使用鈦合金能夠起到很好的減重效果[2]。優異的性能使TC27鈦合金在航空航天、兵器、石油、化工和醫療等領域具有廣闊的應用前景[3]。但TC27鈦合金鑄態組織晶粒粗大，需通過一系列的熱加工處理，使其晶粒細化，以提高綜合使用性能。

熱加工圖是表征處理固有加工性好與壞的圖形。借助熱加工圖可以縮短加工工藝的探索周期，減小工作量，節約成本。目前熱加工圖已在多種金屬及其合金的熱變形行研究中得到應用[4-8]。本研究以熱壓縮實驗為基礎，研究變形溫度和應變速率對TC27鈦合金變形過程中流變應力的影響?；趧討B材料模型理論建立加工圖，通過加工圖與微觀組織演變分析相結合的方法優化變形參數，為該合金的熱加工工藝優化提供理論依據。

1 實 驗

實驗材料為經3次真空自耗熔煉的650 kg級TC27鈦合金鑄錠，名義成分為Ti-5Al-5Mo-5V-2Nb-1Fe，低倍組織和高倍組織如圖1所示。

圖1 TC27鈦合金鑄錠的低倍組織和顯微組織Fig.1 Macrostructure(a) and microstructure(b) of TC27 titanium alloy ingot

用線切割方法在鑄錠上切取φ8 mm×12 mm的熱壓縮試樣。采用感應加熱式Thermecmaster-Z型熱/力模擬試驗機進行熱壓縮實驗。變形溫度為900、950、1 000、1 050、1 100、1 150 ℃，變形速率為0.01、0.1、1、10 s-1，熱壓縮變形量為50%。熱壓縮試樣以10 ℃/s的速度升溫至變形溫度，保溫300 s。試樣熱壓縮后進行水淬，以保留高溫變形組織。沿縱向中心線將試樣剖開制備成金相試樣，腐蝕后采用金相顯微鏡觀察其顯微組織。金相腐蝕液成分為10%HF+20%HNO3+70%H2O。

2 結果與討論

2.1 應力-應變曲線

應力-應變曲線是在一定的變形速率和變形溫度下應力對應變的變化規律，它可以宏觀的表征出材料內部顯微組織的變化過程。TC27鈦合金的熱壓縮應力-應變曲線如圖2所示。

圖2 TC27鈦合金不同溫度下的應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curves of TC27 titaniun alloy at different temperatures:(a)900 ℃；(b)950 ℃；(c)1 000 ℃；(d)1 050 ℃；(e)1 100 ℃；(f)1 150 ℃

從圖2可以看出，無論在何種溫度、何種應變速率下，熱壓縮變形初始階段，達到應力峰值前曲線的斜率很大，幾乎呈直線上升，此階段的應力隨應變的增加迅速增大，峰值應力所對應的應變很小。出現此特征的原因是在外加應力的作用下，材料發生塑性變形，內部產生了大量的可動位錯，可動位錯受到塞積和纏結等障礙，阻礙位錯的繼續運動，材料產生加工硬化等現象。當變形達到一定程度時，流變應力達到峰值。在峰值應力后的一段應變范圍內，流變應力隨應變的增加會總體呈現下降趨勢。這是由于鈦合金的熱傳導系數較低，塑性變形產生的熱量不能很快的傳導到外界，導致材料內部溫度升高，使鈦合金材料的熱激活作用增強，原子動能增大，原子間的結合力減弱，從而降低材料的臨近剪切力，降低材料變形所需要的外力。另外，鈦合金塑性變形過程中動態再結晶也是導致動態軟化的原因之一。而在變形速率0.1 s-1條件下，由于加工硬化效果強于動態軟化效果，變形抗力隨應變的增加而增強。隨著應變的繼續增加，流變應力趨于相對穩定，這主要是由于加工硬化和動態軟化共同作用達到平衡的結果。在變形過程中，TC27鈦合金的流變應力隨著溫度的增加而減小，隨著應變速率的增加而增大。

2.2 加工圖及其分析

加工圖是以動態材料學模型為理論依據建立的，而動態材料學模型是基于大塑性變形的連續介質力學、物理系統模擬和不可逆熱動力學等方面的基本原理建立的[9]。系統單位時間內輸入到工件的總能量p主要消耗在2個方面，分別是耗散協量J和耗散量G。耗散協量J是工件在熱變形時發生諸如片狀組織動態球化、動態再結晶、相變及動態回復等組織演化過程所耗散的能量；耗散量G代表工件發生塑性變形時所耗散的能量，其中只有小部分的能量以晶體缺陷的狀態存儲，絕大部分能量轉化為熱能[10]。數學表達式如下：

(1)

耗散協量J和耗散量G的比例由加工件在一定溫度和一定應力下的應變速率敏感指數m決定：

(2)

m值對理解能量分配和材料顯微組織的演化有指導意義，現對其進行分析情況討論：當m≤0時，系統沒有發生能量耗散；當01時，材料可能會出現組織缺陷。

(3)

耗散協量J的微分可表示為：

(4)

則J表示為：

(5)

當m=1時，材料處于理想線性耗散狀態。耗散協量J達到最大值，即:

(6)

根據式(5)和式(6)定義一個無量綱參數η，即功率耗散效率，數學表達式為：

(7)

η值隨應變速率和變形溫度構成功率耗散圖，不同的功率耗散等值線圍成不同的區域，不同區域與微觀組織變形有直接的聯系，在高耗散效率值區域內進行塑性加工，通常能獲得較好的組織性能。

(8)

(9)

式中，系數a、b、c、d為一定溫度下的常數，采用多項式擬合求得a、b、c、d的值。將式(9)代入式(2)可計算出應變速率敏感因子m的值：

(10)

圖3 TC27鈦合金的加工圖Fig.3 Processing map of TC27 titaniun alloy

2.3 微觀組織分析

TC27鈦合金經900 ℃/0.01 s-1和1 050 ℃/0.01 s-1熱壓縮變形后的顯微組織如圖4所示。從圖4可以看出，經過900 ℃/0.01 s-1變形后，組織變為細小的片狀組織，分布雜亂無序，只發生動態回復，無再結晶組織出現。經過1 050 ℃/0.01 s-1變形后，片狀組織完全消失，發生了再結晶轉變，再結晶晶粒尺寸在5～100 μm之間。因此，在變形溫度1 050 ℃、應變速率0.01 s-1條件下，TC27鈦合金可得到性能優良的變形組織。

圖4 TC27鈦合金熱壓縮后的金相照片Fig.4 Metallographs of TC27 titanium alloy after hot compression：(a)900 ℃/0.01 s-1；(b)1 050 ℃/0.01 s-1

3 結 論

(1)熱變形過程中，TC27鈦合金的流變應力先隨應變增加而迅速增大，達到峰值后隨應變的增加而減小，最后趨于相對穩定。

(2)TC27鈦合金熱加工圖中存在2個耗散峰值區，分別是900 ℃/0.01 s-1和1 050 ℃/0.01 s-1區域；2個失穩區分別出現在900 ℃/0.1 s-1和1 050 ℃/0.1 s-1區域，熱變形時應避免在失穩區進行，以免熱變形時材料開裂。

(3)TC27鈦合金在1 050 ℃/0.01 s-1區域變形時，組織發生再結晶，晶粒細化，能獲得性能優良的變形組織。