Ti-Al-Nb 合金的熱變形與動態再結晶行為研究

亓耀國，郭子鵬，王兆天，劉延輝,2，寧永權

（1.西北工業大學 材料學院，西安 710072；2.陜西科技大學 機電工程學院，西安 710021）

隨著航空航天、車輛、艦船等發動機性能的不斷提高，對高溫結構材料的性能提出了越來越高的要求。常規的高溫合金不僅密度較高，而且其使用溫度也已接近目前先進發動機各主要零部件的使用極限。與傳統的金屬材料相比，金屬間化合物材料的強度、硬度、抗蝕和高溫性能等頗佳，可補充傳統金屬材料的不足，成為近年來重點開發應用的新型結構材料。據推測，下一代飛行器發動機中質量占20%以上的部件均可能采用金屬間化合物制造[1—2]。

Ti3Al 基合金是一種金屬間化合物，具有較高的高溫強度、比彈性模量、抗氧化性能以及密度小、比強度高的特點，同時它還具有較好的蠕變抗力等，與鈦合金和鎳基合金相比優勢明顯，因此引起了材料科學界的極大興趣，Ti3Al 基合金將應用于航空航天、能源等高科技領域，極其適合在600～750 ℃環境下工作，代替鈦基合金可提高結構的使用溫度，且構件可減輕40%左右，從而對增強航空發動機推重比具有重要的意義。從20 世紀50 年代開始，一些國家就展開了Ti3Al 基金屬間化合物的研究，但由于脆性問題遲遲未被突破，曾一度處于低潮。此后一些年，很多國家在克服Ti3Al 基合金的室溫脆性方面做了大量的研究，主要是添加Nb 元素[3]。

美國已將Ti3Al 基合金應用于制造噴氣發動機的尾噴燃燒器、高壓壓氣機機匣與航空發動機后幾級壓氣機轉子等結構；日本已將Ti3Al 基合金應用于制造汽車關鍵零部件，我國在相關領域將Ti3Al 基合金用于制備關鍵結構件，如渦輪殼體組件、發動機鍵零部件、支承環等[4]。

材料在熱加工過程中通過動態回復及動態再結晶細化晶粒，改善顯微組織及力學性能。Ti-14Al-21Nb是Ti3Al 基合金的一種新型鈦合金。目前研究主要關注Ti-14Al-21Nb 合金的機械加工性能，而對其動態再結晶演變規律研究較少[5]。

1 試驗

1.1 材料及方法

Ti-14Al-21Nb 相變溫度為1160～1180 ℃，最高工作溫度可達700～800 ℃，綜合性能良好[6]。將棒狀材料制成Ф8 mm×12 mm 的試樣，在Gleeble-1500 熱模擬機上完成熱壓縮試驗。把試樣加熱至設定溫度，保溫3 min 之后進行等溫變形，結束后噴液冷卻。應變速率分別為0.005，0.05，0.5，5 s?1，變形溫度為1353，1383，1413，1443 K，變形量為50%。

1.2 結果

不同變形條件下Ti-14Al-21Nb 合金的真應力-應變曲線如圖1 所示分為2 個階段。首先以加工硬化為主，流動應力增大至臨界值，在各溫度下的應變速率為0.005 s?1和0.05 s?1時，此臨界值為其應力峰值，應變速率為0.5 s?1和5 s?1時先經過初始應力后，應力與應變關系呈正比然后達到峰值；其次，在各溫度下達到峰值應力后，應變速率為0.005，0.05，0.5 s?1時，隨應變增大應力逐步降至某一穩定值，應變速率為5 s?1時應力隨應變的增加逐步下降。

由圖1 可知，變形溫度一定時，應變速率越大，應力值越高；應變速率一定時，變形溫度越高，應力值越低。隨著變形溫度的降低，位錯爬升或交叉滑移等位錯的運動驅動力減??；隨著應變速率的增大，動態再結晶形核、長大的過程所需時間將會減少。變形溫度一定時，應力值隨應變速率的增大而上升；應變速率一定時，應力值隨變形溫度的升高而降低。應變速率的增大會導致動態再結晶形核、長大過程所需時間減少；變形溫度降低會導致位錯爬升或交叉滑移等位錯的運動的驅動力減小，這兩種情況均會抑制再結晶的形核與長大。

圖1 溫度及應變速率不同的真應力-應變曲線Fig.1 True stress-strain curves at different temperatures and strain rates

1.3 分析討論

Poliak 和Jonas[7]等定義加工硬化率θ=dσ/dε，認為動態再結晶發生的臨界條件為加工硬化率-應力曲線出現拐點，且一般在峰值應變之前[8]。

圖2 為不同變形條件下，在峰值應力出現拐點之前的加工硬化率曲線，說明這些試驗條件下試樣的動態再結晶均發生在峰值應力出現之前，將得到的臨界應變、臨界應力列于表1。由表1 可見，隨著變形溫度的降低與應變速率的提高，鈦合金發生動態再結晶所需的臨界應變將增大。

圖2 峰值應力出現之前的加工硬化率曲線Fig.2 Hardening rate curve before peak stress

表1 不同變形條件下的臨界應變、臨界應力、峰值應變、峰值應力Tab.1 Critical strain,critical stress,peak strain,peak stress under different deformation conditions

2 建立模型

2.1 流變應力的本構模型

動態再結晶激活能的大小決定著動態再結晶是否能夠發生。文中采用Zener-Hollomon 參數Z來反映變形溫度、應變速率之間的關系，然后用雙曲正弦函數表征參數Z和流變應力之間的關系式[9—12]：

式中：R為氣體常數；T為熱力學溫度；Q為動態再結晶激活能；F(σ)為應力函數；A，α及n是與材料相關的系數，且α=β/n。將式（3）中應力函數F(σ)代入式（2）中，可得到：

當是一定時，不同的應力狀態下，ln［sinhασ］ 與1/T的線性關系如圖4 所示，Q/RT為所有斜率的平均值，可求得Q=197.626 kJ/mol。

將所得結果代入式（8）中，得到材料常數A的平均值為3.173×106，因此，，T及σ的關系可用式（9）表示：

將式（1）代入式（9）中，求得包含Arrhenius項的Z參數流動應力：

圖3 ln σ，σ 與lnε˙的關系Fig.3 Relationship between ln σ,σ and lnε˙

圖4 ln[sinh ασ]與1/T 的關系Fig.4 Relationship between ln[sinh ασ] and 1/T

2.2 動態再結晶動力學模型

熱塑性變形過程中，臨界應變出現前，動態再結晶晶粒將在原始晶粒邊界、孿晶界、變形帶處形核、長大，位錯不斷積聚。繼續變形，位錯增殖（加工硬化引起）及位錯湮滅（動態再結晶引起）由始至終存在。當加工硬化的作用與動態軟化的影響基本一致時，流動應力值保持不變，變形將處于穩定狀態[13]。在本研究中采用與時間呈S 型關系的典型曲線表征動態再結晶動力學演變，在應變速率恒定條件下，時間由應變表示，動態再結晶體積分數由已修正的Avrami 方程表述，因此在高溫變形條件下，可由式(10)描述動態再結晶演變的動力學[14]：

式中：XDRX為動態再結晶晶粒的體積分數；m為Avrami 常數，最大軟化速率應變ε*在加工硬化率曲線的谷值處，如圖5 所示。

在圖5 中，應變為5 s?1的加工硬化率曲線在峰值應變之后先上升然后在0 以下波動，動態回復軟化作用發揮主要作用；應變為0.5 s?1的加工硬化率曲線呈現先下降再上升的趨勢，最后值為負，其加工硬化產生的能量累積被消耗完之后，沒有新的能量累積，加工硬化作用較動態回復軟化作用更明顯；應變為0.005 s?1和0.05 s?1的加工硬化率曲線則呈現明顯拐點之后接近于0，此時加工硬化和軟化基本相當。

將臨界應變εc及由圖5 得到的ε*（列于表2），與無量綱參數Z/A聯系，利用最小二乘法線性擬合得到圖6，可列下式：

假定XDRX=1 代表流動應力達到穩定，然后將與XDRX=1 對應的變形條件帶入式（10），得到m的平均值為6.912 02，將動態再結晶動力學模型列于表3。

圖5 峰值應力出現之后的硬化率曲線Fig.5 Hardening rate curve after peak stress appears

表2 由圖5 得到最大軟化速率對應的應變ε＊Tab.2 Strain corresponding to the maximum softening rate ε* from Fig.5

圖6 無量綱參數Z/A 與ε*和εc 的關系Fig.6 Relationship between dimensionless parameter Z/A and ε*,εc

表3 基于應力-應變曲線的動態再結晶動力學模型Tab.3 Dynamic recrystallization kinetics model based on stress-strain curve

根據動態再結晶動力學模型，計算變形條件對動態再結晶體積分數的影響，如圖7 所示。動態再結晶的體積分數隨應變增大至1，證明發生了完全動態再結晶。根據圖7 可以看出，當變形溫度一定，達到相同動態再結晶體積分數時，應變速率越大所對應應變值越大；當應變速率一定，達到相同動態再結晶體積分數時，變形溫度越低所對應應變值越大，說明應變速率的增加及溫度的下降都會導致動態再結晶發生延后。動態再結晶晶粒在形核與長大過程中，由于應變速率增大，變形量達到一定程度所需時間縮短，位錯回復運動不能充分進行，位錯不均勻分布使得應力集中，抑制了動態再結晶的形核速率；而變形溫度降低，使合金中位錯移動等減少，大量的孿晶、位錯難以發生運動，從而不會發生重組，導致材料動態再結晶延后發生。

圖7 不同溫度、不同應變速率下預測的XDRX 體積分數Fig.7 Volume fraction of XDRX predicted by strain rates of 0.005,0.05,0.5 and 5 s?1 at different temperatures

2.3 動態再結晶對應力軟化的影響

金屬材料發生動態再結晶能夠改善其合金組織、提高機械性能。在熱塑性變形過程中，當還沒有發生動態再結晶時，位錯增殖及位錯間相互作用導致應力變化較劇烈，在臨界應變后新的晶粒形核長大即發生動態再結晶。在隨后的變形中，變形不斷產生的位錯增殖及在熱和外力作用下、由動態再結晶引起位錯的滑移、攀移并發生合并重組，使材料發生動態軟化。當加工硬化的作用與動態再結晶軟化的影響相當時，流動應力值不受應變的影響保持穩定，此時動態再結晶晶粒呈現等軸狀，并保持一定的大小[12—14]。

如圖8a—d 所示，在較大的應變速率下，曲線降到最低點后呈上升趨勢，在較小的應變速率下，曲線降到最低點后基本趨于穩定。說明在在高應變速率下材料先經加工硬化，然后軟化作用占主導地位；在低應變速率條件下經加工硬化后硬化和軟化作用相當，其中軟化作用在劇烈變形后的晶粒內，硬化作用于相鄰晶粒，同時發生使得呈現一個動態平衡。

圖8 動態再結晶對應力軟化的影響Fig.8 Effect of dynamic recrystallization on stress softening

3 結論

1）材料在峰值應力出現之前均發生了動態再結晶；在高應變速率下，材料在穩定前會發生強烈的軟化，并顯現雙峰，為動態回復型曲線；在低應變速率下，材料加工硬化和軟化作用達到平衡后逐漸穩定，顯現單峰，為動態再結晶型曲線。鈦合金的流變應力對變形溫度與應變速率變化敏感，應力軟化作用對應變速率敏感，材料動態再結晶能促進應力軟化。

2）通過分析應力-應變曲線獲得了Ti-14Al-21Nb合金動態再結晶激活能參數，建立熱變形本構模型，獲得了動態再結晶演變的動力學Avrami 方程。