TC17鈦合金的熱壓縮變形行為研究

董軼，李巍，周陽洋，張雪敏，劉繼雄，屠孝斌，王少陽

（1、寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014；2.寶鈦集團有限公司，陜西 寶雞 721014）

關鍵字：TC17；熱壓縮；流變應力

1 前言

TC17鈦合金是一種近β型鈦合金，其名義成分為Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr（質量分數(shù)，%）。其中Al、Sn與Zr元素可強化α相，從而改善其蠕變抗力，并且緩和β相的時效特征；Mo和Cr元素可確保大截面的熱處理和淬透性，因此TC17鈦合金具有良好中溫強度，淬透性、疲勞和斷裂韌性方面達到平衡，并且具有較好的綜合性能，在各類航空發(fā)動機的風扇和壓氣機盤件上得到廣泛的應用。目前科研人員采用熱模擬技術研究鈦合金熱變形行為和組織演變規(guī)律已成為當今鈦合金研究的熱點。曾衛(wèi)東等研究了TC17鈦合金熱變形的本構方程和加工圖[1-3]。

2 試驗用材及方法

2.1 試驗材料

試驗材料采用寶雞鈦業(yè)股份有限公司生產的，經真空自耗電弧爐三次熔煉而成的TC17鈦合金鑄錠（Φ796），主要化學成分（質量分數(shù)，%）如表1所示。鑄錠經β相區(qū)和α+β兩相區(qū)多火次鍛造至Φ350mm棒材，其顯微組織如圖1所示，主要由初生等軸α相和β轉變組織組成，α相尺寸小于10μm。經金相法測得α+β/β相轉變溫度為900℃。

2.2 試驗方法

在TC17鈦合金棒材上獲取尺寸為Φ10mm×15mm的試樣，試樣的軸向為棒材的縱向方向。在Gleeble-3800型熱模擬試驗機上進行熱壓縮試驗。實驗過程中，在試樣兩端涂上鎳基復合粘結劑并附上石墨片，從而減小設備壓頭與試樣表面的摩擦力。將試樣加熱（升溫速率為10℃·S-1）至應變溫度后，保溫5min后進行等溫恒應變速率熱壓縮試驗，實驗數(shù)據均由熱模擬試驗機自動采集。具體實驗參數(shù)選擇如下：

（1）變形溫度：810℃、840℃、870℃、900℃、930℃

（2）應變速率 ：10-2S-1、10-1S-1、100S-1、101S-1

（3）變形量：20%、40%、50%、60%、

當熱壓縮變形量達到一定程度后立刻水淬，保持高溫變形時的組織形態(tài)。采用線切割將變形后的試樣延軸向切開進行顯微組織研究。金相試樣經磨制拋光后采用HF、HNO3、H2O混合液進行腐蝕，在OLYMPUS GX71型金相顯微鏡上觀察組織。

表1 鑄錠化學成分質量分數(shù)(%)

圖1 TC17棒材原始顯微組織（500X）

3 實驗分析與討論

3.1 相同溫度與速率下，不同變形量的真應力-應變曲線及顯微組織

圖2為相同試驗溫度與應變速率下，不同變形量試驗的真應力-應變曲線，變形量分別為20%（真應變0.223）、40%（真應變0.51）與60%（真應變0.916）時停止試驗。由圖可知，熱壓縮過程中鈦合金的流變應力會迅速（當真應變值為0.019左右）達到峰值（212MPa）之后會隨著應變的增加而降低，當真應變達到0.58左右時，隨著應變的增加，應力（168Mpa）基本不變。這是由于隨著變形量的增加，位錯會迅速增殖并且相互作用從而引發(fā)加工硬化，流動應力快速增至最高點；隨著變形量的增大，合金內部的動態(tài)回復和動態(tài)再結晶過程會使位錯密度下降，真應力值逐漸降低，最終軟化過程與加工硬化過程達到動態(tài)平衡，曲線趨于穩(wěn)定，其中軟化現(xiàn)象可能是由變形過程中的形變熱效應和片層組織球化引起的[4-5]。因此可知變形量對于TC17鈦合金的流動應力曲線影響較小。

圖4 相同試驗溫度與應變速率，不同變形量的TC17鈦合金顯微組織照片(200X)

圖5 TC17鈦合金真應力-應變曲線(相同溫度與變形量，不同應變速率)

圖3為不同變形量下試樣的宏觀圖片。由圖可見在變形量較小（20%）的時候，試樣形態(tài)只是稍有鼓肚出現(xiàn)，并未有太大變化，而到40%與60%的時候，試樣鼓肚比較明顯，并且宏觀圖片中并未發(fā)現(xiàn)有明顯的失穩(wěn)現(xiàn)象出現(xiàn)。圖4為不同變形量下TC17試樣的顯微組織，由圖可見20%與40%的形貌并無太大區(qū)別，組織較為均勻，而在60%的變形量下可以看到明顯的壓縮方向與流動方向，存在一定的失穩(wěn)區(qū)域。說明TC17在大變形的狀態(tài)下會受到失穩(wěn)行為的影響，失穩(wěn)后會改變金屬的流動屬性，使金屬流動不均勻。

3.2 相同溫度與變形量下，不同應變速率的應力-應變曲線及顯微組織

圖5為相同溫度與變形量下，不同應變速率試樣的應力-應變曲線。由圖可見在相同溫度與變形量下，當應變速率越低，流動應力曲線會越平緩，這是由于TC17鈦合金在低應變速率下變形時，動態(tài)回復增強而動態(tài)再結晶受到抑制，軟化過程與加工硬化過程趨于平衡，曲線趨于穩(wěn)定。隨著應變速率增加，其所對應的平均真應力值越高，這是由于①高速率變形時，塑性變形不能充分擴展和完成，所以更多的變形為彈性形變，彈性變形量增大，應力值增高；②高速率變形會使得位錯增殖率增大，位錯的增加會使加工硬化現(xiàn)象更加明顯，真應力值增大。

并且由圖還可以發(fā)現(xiàn)，隨著應變速率的提高，到達流動應力峰值的應變值也在增大，這可能是因為高速應變速率下會產生大量摩擦，由于摩擦產生的大量熱量無法快速散失掉，所以導致心部溫度高于表面溫度，促進了再結晶的發(fā)生，使得達到真應力峰值的應變值也增大。并且隨著應變速率的增大，真應力-應變曲線會出現(xiàn)連續(xù)不屈服現(xiàn)象。這種應力震蕩的不連續(xù)屈服現(xiàn)象目前有二種理論可以解釋：a）靜態(tài)理論，即包含位錯的釘扎與脫釘現(xiàn)象，該理論假設位錯被固溶原子釘扎，在一定應力的作用下位錯掙脫釘扎，導致流動應力突然下降；b）動態(tài)理論，即不連續(xù)屈服與晶界突然增殖大量可動位錯有關；也可能在熱壓縮過程中，由于應變速率過快導致變形熱不能及時傳導，從而發(fā)生了局域流變，當局域流變不穩(wěn)定時，加工硬化作用較大且會與動態(tài)再結晶軟化交替作用導致應力高低起伏發(fā)生波動[6]。

由圖還可知，不同溫度下的高速率真應力-應變曲線均會有不屈服現(xiàn)象，這證明了TC17鈦合金流動曲線波動現(xiàn)象并非由于形變熱效率導致，可能是再結晶和固溶原子與位錯相互作用的結果。所以可知TC17鈦合金對于應變速率的敏感程度較高。應變速率越低，真應力值也低，真應力-應變曲線越穩(wěn)定，達到真應力峰值的應變則越小。圖6為相同溫度（840℃）與變形量（50%）下，不同變形速率下的試樣顯微組織，由圖可知，隨著變形速率的減小，組織也會逐漸粗化。這是由于隨著變形速率的增加，位錯密度增加，能量增加，再結晶程度與再結晶尺寸均會增大，變形破碎的晶粒增多，而被破碎的晶粒在短時間內無法充分長大，故而組織細化。這是因為在較小的變形速率下，晶核形成孕育時間長，晶核數(shù)量比較少，所以晶粒由充足的時間長大，故而組織粗大。隨著變形速率的增加，再結晶數(shù)量增多，破碎的晶粒與再結晶晶粒不能充分長大，因而晶粒細化。

3.3 相同應變速率與變形量，不同應變溫度下的真應力-應變曲線

圖7為相同應變速率與變形量下，不同應變溫度試樣的真應力-應變曲線。由圖可見相同應變速率下，隨著應變溫度升高時，鈦合金的真應力值會下降，這是由于隨著溫度的升高，合金的熱激活作用和原子平均動能增大，晶體產生滑移的臨界分切應力降低，減少了位錯運動和晶界間滑移的阻礙，并且溫度越高，動態(tài)回復和動態(tài)再結晶更容易進行，使位錯密度降低，從而抵消了塑性變形引起的加工硬化，因此流動應力降低。當應變溫度位于相變點以下時，其真應力-應變曲線達到峰值后持續(xù)下降，而當試驗溫度位于相變點附近或者以上時，流動應力達到峰值再下降到一定數(shù)值之后，隨著應變增加變化不大，并且溫度越高，曲線越平緩。這說明鈦合金內組織發(fā)生了α+β相→β相的轉變，更多的α相（密排六方）轉變?yōu)棣孪啵w心立方），由于β相層錯能高、滑移系較多，動態(tài)回復為其主要的軟化因素，所以動態(tài)再結晶受到一定程度的抑制，流動應力下降后曲線趨于平緩[7]。

圖6 相同溫度與變形量，不同應變速度的TC17鈦合金顯微組織照片(200X)

圖7 TC17鈦合金真應力-應變曲線(相同速率與變形量，不同應變溫度)

圖8 相同速率與變形量，不同應變溫度的TC17鈦合金顯微組織照片(500X)

當應變溫度位于相變點附近或者以上時，真應變大于0.5時，真應力會有稍小上揚的趨勢，這可能是真應力值在受到熱加工的影響以外，還受到了失穩(wěn)行為的影響。失穩(wěn)會改變金屬的流動特征，會使金屬的流動不均勻，失穩(wěn)區(qū)相對滑移變形的阻力也成了流動應力的一部分，導致變形后期真應力的提升[8]。因此可知：TC17鈦合金對于應變溫度的敏感程度較高，當應變溫度越高，真應力值則越低，真應力-應變曲線越穩(wěn)定，并且達到一定變形量后真應力會有稍小的提升。

圖8為相同變形速率與變形量下，不同應變溫度試樣的顯微組織。由圖8可見應變溫度為810℃～840℃的時候，試樣初生α含量較多，但隨著應變溫度的增加，試樣初生α含量逐漸減少，在930℃的應變溫度下，試樣高倍組織基本看不到初生α。

4 結論

1）當應變速率與變形溫度固定時，不同變形量對于TC17鈦合金的流動應力曲線影響較小；隨著變形量的增大，合金組織中的失穩(wěn)區(qū)域增多；

2）TC17鈦合金對于應變速率的敏感程度較高，當應變溫度與變形量固定時，應變速率越低，真應力值也低，真應力-應變曲線越穩(wěn)定，達到真應力峰值的應變則越小；并且隨著應變速率的提高，組織細化程度提高。

（3）當應變速率與變形量固定時，應變溫度越高，真應力值越低，真應力-應變曲線越穩(wěn)定，組織中的初生α則越少。并且達到一定變形量后真應力會有稍小的提升。