一種Ti-AI-Zr-Nb-Mo-Si 系鈦合金熱壓縮過程中的微觀組織演變

吝媛，楊曉龍，劉偉，李夢，楊奇

（寶雞鈦業股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

1 前言

近年來，為降低汽車尾氣排放標準，各國對提高燃油效率，推進汽車輕量化提出了明確的要求[1]。鈦及鈦合金具有密度小、比強度高、耐蝕性好、抗氧化性能好等優異特性，在汽車尤其賽車領域獲得廣泛應用，可被用來制作發動機氣門、閥簧、連桿、緊固件以及排氣系統元件等零部件[2-5]。本文所述Ti-Al-Zr-Nb-Mo-Si 系鈦合金，有較高的Al 含量，屬于近α 型鈦合金，合金相變點約1100℃，同時該合金具有較高的彈性模量、低的密度、高強度以及較好的耐熱性、抗氧化性等優良特性，目前主要在汽車領域獲得應用。

本文利用熱模擬試驗機Gleeble3800 主要研究該種Ti-Al-Zr-Nb-Mo-Si 系鈦合金在熱變形過程中的組織轉變規律，分析了不同熱變形條件下的組織特征，為穩定生產高質量合金棒材提供有效指導。

2 實驗方法

試驗所用材料在寶雞鈦業股份有限公司生產線上完成，海綿鈦、中間合金等經過真空自耗電弧爐（VAR）3 次熔煉得到合金鑄錠，鑄錠經3150 噸水壓機擠壓開坯后得到該Ti-Al-Zr-Nb-Mo-Si 系合金中間棒坯，試樣在該棒坯上切取，并制成熱變形實驗所需的Φ10×15mm 圓柱狀，最終在Gleeble3800 型熱模擬試驗機上進行恒應變速率熱壓縮變形實驗，圖1 為該棒坯的組織形貌。熱壓縮變形實驗的工藝參數如下：變形溫度為1020℃、1050℃、1080℃、1110 ℃和1020 ℃，應變速率為0.01、0.1、1 和5s-1，變形量為50%。試樣加熱時升溫速率為10℃/s，保溫時間為300s，為減小試樣和壓頭之間的摩擦力，在試樣的兩端和壓頭之間放置金屬鉭片作為潤滑劑。利用光學顯微鏡ZEISS AxioVert200MAT 進行組織觀察，得到不同溫度、不同應變速率下合金的組織形貌，制樣所采用的侵蝕劑體積分數為10%硝酸、5%氫氟酸、85%水溶液。

圖1 合金棒材原始組織

3 實驗結果及分析

3.1 應變速率對合金組織的影響

圖2 和圖3 分別為該Ti-Al-Zr-Nb-Mo-Si 系鈦合金在兩相區1020℃和單相區1140℃加熱時不同應變速率下的組織特征。圖2 可以看出，兩相區變形時，原始片層組織晶粒破碎、細化，轉變成長條等軸α+β 轉變組織，并具有變形態的流線特征。應變速率≥0.1s-1 時，可以觀察到變形態的條帶狀組織，并含有部分等軸α 晶粒；應變速率為0.01s-1時，發生部分回復和再結晶，形成大量等軸α組織。應變速率越大，組織分布越不均勻。

圖2 合金在兩相區1020℃變形時不同應變速率下的組織特征

圖3 合金在單相區1140℃變形時不同應變速率下的組織特征

圖3 可以看出，單相區1140℃變形后，具有魏氏組織特征，粗大的原始β 晶粒和完整的晶界α 相，晶內由大尺寸、彼此平行的α 片形成“束集”。應變速率≥1s-1 時，可以明顯觀察到變形時的流線特征，組織分布不均勻；而應變速率≤0.1s-1 時，合金充分發生回復和再結晶，片層組織能夠均勻分布。

可以看出，單相區變形時，可以在比較高的應變速率下完成回復和再結晶，形成的晶粒較粗大。

3.2 變形溫度對合金組織的影響

圖4 和圖5 分別為合金在應變速率0.01s-1 和5s-1時不同變形溫度的組織特征。圖4 可以看出，應變速率為0.01s-1 時，在較低溫度下的兩相區變形，合金由等軸α 相與β 轉變組織構成，且隨變形溫度的升高，α 相含量降低，形態變得粗大；在較高溫度下的單相區變形時，保留了粗大的原始晶粒，α 相主要在晶內呈平行的片狀分布，晶界處則以粗大的形態聚集，且α 相含量減少。

圖4 合金在應變速率為0.01s-1 時不同溫度下的組織特征

由圖5 可以看出，應變速率為5s-1 時，隨著變形溫度的升高，合金組織形態的變化規律與應變速率為0.01s-1 時基本保持一致，只是在高應變速率下變形，組織形態更多呈現不均勻分布，具有變形態的帶狀組織特征；在1080℃變形時，α 相與β 轉變組織呈片層狀分布，與單相區保持一致，這主要是由于，1080℃接近相變點溫度，在較高應變速率下變形，變形過程會產生大量變形熱，導致局部溫升過高，超過相變點以上，最終獲得與單相區一致的魏氏組織，呈粗大的不均勻狀態分布。

圖5 合金在應變速率為5s-1 時不同溫度下的組織特征

3.3 分析討論

由該Ti-Al-Zr-Nb-Mo-Si 系鈦合金不同熱變形條件下的宏觀組織特征可知，應變速率越低，變形溫度越高，合金傾向于形成回復和再結晶組織特征，反之，應變速率越高，變形溫度越低，傾向于形成不均勻的變形態組織。這是因為在熱變形的過程中，一方面形變使得位錯不斷增值和積累，形成變形組織；另一方面熱激活使得位錯對消、合并以及晶界規則化，發生動態回復再結晶過程，形成均勻組織，最終的組織特征取決于兩個方面的競爭結果。在較低溫、較高的應變速率下，以位錯的增殖過程為主，形成變形組織；在較高溫、較低的應變速率下，以位錯對消、合并和晶界規則化為主，發生回復和再結晶。

通過分析該鈦合金熱變形時不同應變速率和變形溫度對組織的影響特征，可有效給出獲得回復再結晶組織的工藝條件界線，為工業生產加工提供相應依據。

圖6 為合金在1050℃溫度下實際擠壓生產后棒材的組織特征，可以看出，合金成品棒材組織由均勻分布的大量等軸α 及少量晶間β 相構成，該棒材抗拉強度達到1103MPa，屈服強度960MPa，延伸率為20%，具有較好的綜合力學性能。

圖6 合金擠壓棒材高倍組織

表1 合金在不同熱變形條件下的宏觀組織特征

4 結論

（1）該Ti-Al-Zr-Nb-Mo-Si 系鈦合金經兩相區變形后得到等軸α+β 轉變組織，經單相區變形后得到魏氏組織。

（2）溫度不變時，隨著應變速率的增大，均勻的回復再結晶組織逐漸過渡到不均勻的變形態帶狀組織。

（3）應變速率一定時，隨著變形溫度的不斷升高，α 相含量逐漸降低，且尺寸變得粗大，在兩相區呈等軸狀分布在β 基體中，單相區則呈片層狀聚集在原始β 晶界處。

（4）經過實際驗證，該合金在1050℃擠壓加工時，能夠獲得均勻分布的等軸組織，并具有較好的綜合力學性能。