氧元素對Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金熱變形組織及性能的影響

繆 頓

(燕山大學材料科學與工程學院，河北 秦皇島 066004)

1 前 言

鈦合金具備高比強度、高斷裂韌性、優異的抗疲勞性能和耐腐蝕性能等特點，成為了航空、航天、航海、軍事和民用領域不可或缺的重要結構材料。研究表明，常見的間隙元素H，O，N在提高合金抗拉強度的同時可以顯著地降低合金的塑性和沖擊韌性[1]。間隙元素的引入同時也會影響合金的相變溫度，從而對加工工藝和組織造成影響[2]。本次實驗通過添加TiO2，同時嚴格控制其他原料雜質元素含量以及感應熔煉爐真空度的方式，成功熔煉出不同氧元素含量的Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo鈦合金鑄錠。對鑄錠熱壓縮變形過程進行研究，建立不同氧含量鈦合金鑄錠在各種變形條件下流動應力模型，得到不同氧含量鈦合金鑄錠在熱變形過程中的動態力學性能和組織變化規律的差異，為工業生產過程中雜質元素含量控制與工藝調整提供一定的理論和實驗依據。

2 實驗方法

實驗采用高純鈦塊、鋁鈮合金、鋁鉬合金等其他原料，通過添加TiO2粉末的方式在ZG-2XF真空懸浮感應熔煉爐，熔煉出兩個質量為2 kg的鈦合金鑄錠(1#、2#)。利用北京航空材料研究院HB 5297.24-2001、HB 7716.13-2002檢測方法測得鑄錠主要元素含量，如表1所示。

表1 試驗材料的化學成分

熱壓縮試驗在Gleeble-3800熱模擬試驗機上進行，試樣尺寸為Φ8 mm×12 mm。熱壓縮試驗的變形溫度為850，950，1050 ℃。以5 ℃/s的速度將試樣加熱到各變形溫度，保溫5 min后直接壓縮變形，真應變速率為0.001～10 s-1，工程變形量為60%，冷卻方式為氦氣冷卻。利用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡等觀察原始和變形后的組織。

3 結果與分析

3.1 氧含量對真應力-應變曲線的影響

圖1為1#鈦合金鑄錠在850和950 ℃、不同應變速率(0.001 , 0.1, 10 s-1)條件下變形的流變真應力-應變曲線。從圖中可以看出流變應力對溫度和應變速率比較敏感。在變形開始階段流變應力隨應變的升高達到峰值，在此階段位錯迅速增殖纏結，從而阻礙位錯運動，導致應力增加，出現加工硬化趨勢。在峰值應力后面的第二階段發生動態再結晶，流變應力隨應變的增加而降低。最后階段流變應力-應變曲線比較平穩，這是由于在此階段加工硬化與動態再結晶軟化達到了平衡。兩種不同氧含量的鈦合金熱變形真應力-應變曲線都具備相同的規律，而主要差異表現在峰值應力上[3, 4]，如表2所示。

圖1 1#鈦合金鑄錠在850 ℃(a)和950 ℃(b)、不同應變速率下的真應力-應變曲線Fig.1 Ture stress-strain curves of 1# titanium alloy ingot being deformed at 850 ℃(a) and 950 ℃(b) with different strain rates

Deformation temperature/℃Strain rates/s-11#2#8500.0011031158500.1250258850103523819500.00116279500.1921079501016218310500.0017.46.910500.128341050107679

3.2 氧含量對鈦合金熱變形本構方程的影響

為描述流變應力與變形參數之間的關系，Sellars等提出了描述熱加工變形中熱激活現象的方程[5, 6]：

(1)

對式(1)兩端同時取自然對數后微分可得表觀激活能Q值，如下式(2)：

(2)

α可以通過以下式(3)進行計算：

(3)

對式(1)兩邊同時取自然對數，能夠得到公式(4)，求得n值和A值：

lnZ=lnA+nln[sinh(ασ)]

(4)

根據線性回歸關系的擬合結果，得到1#鈦合金兩相區熱變形相關參數：α=0.0054，n=6.07，A=1.17×1027，Q=650.926 kJ/mol；2#鈦合金兩相區熱變形相關參數：α=0.0066，n=4.63，A=1.57×1029，Q=724.824 kJ/mol。2#鈦合金的熱變形激活能顯著高于1#鈦合金的，其可能的原因是固溶于晶格內的氧原子會造成晶格畸變，對位錯有釘扎和阻礙的作用，而塑性變形的本質是滑移，氧含量的提高進而會阻礙位錯的運動。通過對比可以發現2#鈦合金鑄錠熱變形產生超塑性的溫度要比1#鑄錠更高，所需的應變速率較低[7]。

3.3 高溫變形組織演變

隨著鈦合金氧含量的增加，由于間隙元素O固溶強化的作用，導致合金內部位錯密度顯著上升[8]，位錯滑移在Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金塑形變形過程中起到主要作用。由于位錯的增殖導致合金內部位錯不斷纏結、聚集從而提高流動應力。氧元素的添加起到的位錯釘扎效應使得合金加工硬化更加明顯，增加晶格畸變阻礙原子擴散運動，使得位錯密度提高，導致變形阻力增大，但同時也會造成變形過程中熱效應，降低變形阻力[9]。圖2為兩種不同氧含量的Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金在850 ℃、應變速率10 s-1下的熱變形組織。對比觀察可以發現，在該變形條件下1#和2#鈦合金都發生明顯的動態再結晶，但1#鈦合金變形組織中央區域還保留了大量鑄態魏氏體組織的形貌特征，在內部出現彎折變形的片層組織，而2#鈦合金可以觀察到更明顯的再結晶晶粒，同時組織明顯細化。

圖2 1#鑄錠(a)及2#鑄錠(b)在850 ℃、以應變速率10 s-1變形后的顯微組織Fig.2 Microstructures of 1# ingot(a) and 2# ingot(b)deformed at 850 ℃ with strain rate of 10 s-1

如圖3所示，對1#鈦合金鑄錠，當變形速率降低到0.1 s-1時，合金內部少量的片層組織演變為等軸組織，但大部分還是保持原始組織特征。進一步降低變形速率至0.001 s-1，已經可以觀察到大量等軸α相，板條組織已經幾乎完全轉變，再結晶轉變較為充分。

圖3 1#鑄錠在850 ℃、以應變速率0.1 s-1(a)及0.001 s-1(b)變形后的顯微組織Fig.3 Microstructures of 1# ingot deformed at 850 ℃ with strain rates of 0.1 s-1(a)and 0.001 s-1 (b)

圖4為兩種不同含氧量鈦合金在950 ℃、應變速率0.1 s-1變形后的顯微組織，通過對比可以發現，二者均發生了明顯的動態再結晶，但圖4a中還保留著明顯扭曲變形的片層α相組織，β相含量更高，再結晶變形不夠充分；而圖4b中再結晶晶粒更加細小和均勻，同時在β相中還可以觀察到明顯的次生α相。結合圖2可以發現，氧元素的加入可以顯著促進合金熱變形動態再結晶，使得再結晶更加充分，合金再結晶晶粒更加均勻。這可能是由于，氧元素的加入可以顯著提高合金加工硬化從而在相同的變形量下合金獲得更多的機械能用來滿足合金再結晶所需的激活能，同時由于氧原子固溶過程造成晶格畸變產生晶格畸變能為合金再結晶過程提供能量。從而擴大合金發生再結晶轉變的變形溫度、變形速率范圍[10-12]。

圖4 1#鑄錠(a)及2# 鑄錠(b)在950 ℃、以應變速率0.1 s-1變形后的顯微組織Fig.4 Microstructures of 1# ingot(a) and 2# ingot(b) deformed at 950 ℃ with strain rate of 0.1 s-1

在950 ℃變形，合金熱變形過程中再結晶轉變已經較為充分，進一步提高變形溫度，圖5為不同氧含量鈦合金在1050 ℃、應變速率為10 s-1下的熱變形組織。可以發現兩者都為典型的馬氏體組織，說明1050 ℃變形，合金內部溫度已經超過相變點，發生α向β轉變過程，經過氦冷后形成β轉變組織。

圖5 1#鑄錠(a)和2#鑄錠(b)在1050 ℃以應變速率10 s-1變形后顯微組織Fig.5 Microstructures of 1# ingot(a) and 2# ingot(b) deformed at 1050 ℃ with strain rate of 10 s-1

但氧元素的加入除了在某些加工條件下促進合金再結晶之外，同樣也會造成不利的影響。在相同的變形條件下，2#鑄錠峰值應力更大，加工硬化更明顯。

圖6為2#鑄錠在950 ℃、以應變速率為10 s-1變形時的失穩照片。失穩主要是由絕熱剪切升溫和鈦合金本身熱導率較低而引起的，由于應變速率較快，合金沒有充足的時間來進行動態再結晶和動態回復，從而導致失穩的現象[13]。2#鑄錠在該變形條件下試樣表面出現開裂。

圖6 2#鑄錠在950 ℃、以應變速率為10 s-1變形后顯微組織(a)及表面開裂試樣(b)Fig.6 Microstructure(a) and surface cracking sample(b) of the 2# ingot deformed at 950 ℃ with strain rate of 10 s-1

4 結 論

(1)Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金在850～1050 ℃、應變速率0.001～10 s-1、60%變形量的條件下進行熱變形時，其流變應力隨應變增加迅速增加到峰值、發生加工硬化，隨后逐漸降低，表現出明顯的動態回復和動態再結晶曲線特征，之后加工硬化、加工軟化共同作用達到動態平衡，曲線呈現波浪性起伏。在不同的加工條件下，流變應力隨變形溫度的升高而降低，隨變形速率的增大而升高，組織球化越發明顯。

(2)相同變形條件下，氧含量的升高可以顯著提高合金熱變形的峰值應力。同時由于內部晶格畸變產生的畸變能為再結晶提供激活能，促進再結晶形核，因此氧元素的加入可以適當拓寬鈦合金再結晶變形的加工溫度、變形速率的范圍。

(3)同時氧元素也會造成位錯纏結、聚集，降低合金塑性，使得合金在熱變形過程中發生流變失穩和表面開裂。因此在工業生產過程中需要將氧元素含量控制在一個合理的范圍。