TC18鈦合金鑄錠組織特征及熱變形行為

全秀煜，孫小勇，劉繼雄，2，何書(shū)林，李 巍，劉 釗，張平輝

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

鈦合金具有高的比強(qiáng)度、良好的耐蝕性能、無(wú)磁性、優(yōu)異的高溫性能，在飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、兵器、艦船等各型裝備上得到廣泛應(yīng)用。隨著飛機(jī)結(jié)構(gòu)選材對(duì)比強(qiáng)度的進(jìn)一步提高，高強(qiáng)鈦合金TC18的用量在不斷增加。作為一種近β型兩相鈦合金，具有良好的加工性能、高的淬透性、焊接性能、疲勞性能等，在飛機(jī)上作為大型結(jié)構(gòu)件[1-2]。

材料熱變形行為是指流變應(yīng)力與變形程度、變形溫度、應(yīng)變速率等變形條件之間的關(guān)系。流變應(yīng)力、表觀變形激活能、應(yīng)變速率敏感性指數(shù)和應(yīng)變硬化指數(shù)等相關(guān)指數(shù)是表征金屬或合金塑性變形特性的一些基本量，通過(guò)測(cè)試不同條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，從而計(jì)算出相關(guān)指數(shù)。目前對(duì)TC18鈦合金熱變形行為的研究主要利用變形態(tài)組織，觀察熱變形過(guò)程，分析組織關(guān)系，建立本構(gòu)方程等[3-7]。

本文取鈦合金鑄態(tài)組織試樣，進(jìn)行TC18鈦合金恒溫等應(yīng)變熱壓縮試驗(yàn)，測(cè)試不同變形溫度和應(yīng)變速率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，觀察不同變形條件下的組織狀態(tài)，計(jì)算表觀變形激活能、應(yīng)變速率敏感性指數(shù)和應(yīng)變硬化指數(shù)等表征指標(biāo)，為建立不同變形階段的本構(gòu)方程、加工圖和實(shí)現(xiàn)TC18鈦合金鍛造過(guò)程中的數(shù)值模擬提供支撐。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

利用真空自耗電弧爐，采用三次真空自耗電弧熔煉制備出TC18鈦合金大型鑄錠，鑄錠單重6噸以上，鑄錠規(guī)格為Ф804mm。TC18鈦合金鑄錠的化學(xué)成分（wt%）為Al：5.5、Mo：5.2、V：5.1、Cr：1.0、Fe：1.0、O：0.10。將TC18鈦合金6噸級(jí)鑄錠二均分，在頭部和中部取低倍試樣片，規(guī)格為Φ820×30mm，經(jīng)機(jī)加、腐蝕后觀察鑄錠低倍組織。對(duì)TC18鈦合金鑄錠頭部鑄態(tài)組織取樣，進(jìn)行TC18鈦合金熱模擬壓縮試驗(yàn)，結(jié)合TC18鈦合金鑄錠到棒材等熱變形過(guò)程，選取熱模擬工藝參數(shù)。

TC18鈦合金熱變形工藝參數(shù)如下：變形溫度（℃）為1150、1110、1070、1030、990；應(yīng)變速率（s-1）為1、0.1、0.05、0.01、0.005和0.001；變形量：工程應(yīng)變50%；冷卻：最大冷速。

熱模擬壓縮試驗(yàn)在Thermecmaster-Z型熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，壓縮前抽真空。壓縮試樣為Ф8×12mm的圓柱體，上下兩端面加工有直徑為7.6mm，深為0.2mm的淺槽，用于貯存高溫保護(hù)潤(rùn)滑劑，以便盡可能減小摩擦。試樣采用電頻感應(yīng)加熱，升溫速度為10℃·s-1，試樣加熱至變形溫度后保溫3min，然后以恒定應(yīng)變速率壓縮，壓縮完成后空冷到室溫。壓縮過(guò)程中由焊接在試樣側(cè)面中部的熱電偶實(shí)時(shí)測(cè)量溫度，通過(guò)閉環(huán)溫控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控溫，控溫精度為±1.0℃。試驗(yàn)過(guò)程中，配有微機(jī)處理系統(tǒng)的試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行修正和計(jì)算，最后以表格形式輸出載荷-行程和流動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變等數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 TC18鈦合金鑄錠組織特征

圖1為TC18鈦合金鑄錠樣片晶粒尺寸特征和統(tǒng)計(jì)圖。不同區(qū)域數(shù)值的含義是晶粒寬度（長(zhǎng)寬比）。從圖1可以看出，在VAR鈦合金鑄錠的凝固組織中存在典型的三晶區(qū)：表面細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)及中心等軸晶區(qū)。對(duì)于頭部低倍，邊部是細(xì)晶區(qū)，區(qū)域厚度，晶粒尺寸為7.12mm，長(zhǎng)寬比為1：1；往心部是柱狀晶區(qū)，最中心是等軸晶區(qū)，晶粒尺寸為6.67mm，長(zhǎng)寬比為1：1，區(qū)域直徑為100mm左右。對(duì)于中部低倍，邊部同樣是細(xì)晶區(qū)，區(qū)域厚度小，晶粒尺寸與頭部相當(dāng)；隨后是柱狀晶區(qū)，區(qū)域厚度為100mm左右；心部是等軸晶區(qū)，等軸晶區(qū)的晶粒有三種特征，正常等軸晶區(qū)，受旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)影響變形的粗大等軸晶區(qū)，最后凝固的小等軸晶區(qū)，該區(qū)域最小。頭部和中部晶粒先增加和長(zhǎng)寬比都是先增加后減小，中部出現(xiàn)了大晶粒區(qū)。

圖1 TC18鈦合金鑄錠樣片晶粒尺寸特征與統(tǒng)計(jì)

2.2 TC18鈦合金鑄態(tài)組織的熱變形行為

2.2.1 TC18鈦合金鑄態(tài)組織的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖2為TC18鈦合金鑄態(tài)組織在不同溫度和應(yīng)變速率壓縮的應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖中可以看出：（1）整體上看，在不同溫度和應(yīng)變速率條件下，隨應(yīng)變的增加，流動(dòng)應(yīng)力先增加隨后降低，或者維持穩(wěn)定。這是由于在變形初期，主要是位錯(cuò)密度增加引起的加工硬化為主，流動(dòng)應(yīng)力增加。流動(dòng)應(yīng)力達(dá)到峰值后，隨應(yīng)變?cè)黾樱诲e(cuò)的滑移和攀移，以及位錯(cuò)的配對(duì)使得位錯(cuò)密度降低，引起動(dòng)態(tài)軟化效應(yīng)超過(guò)加工硬化效應(yīng)，使得流動(dòng)應(yīng)力降低。一般流動(dòng)應(yīng)力下降時(shí)，主要是發(fā)生了動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶，而流動(dòng)應(yīng)力穩(wěn)定時(shí)，主要是發(fā)生了動(dòng)態(tài)回復(fù)。（2）當(dāng)變形溫度一定時(shí)，應(yīng)變速率越高，流動(dòng)應(yīng)力越大，流動(dòng)應(yīng)力對(duì)應(yīng)變速率越敏感。較高的變形溫度和較低的應(yīng)變速率下，應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流動(dòng)階段的應(yīng)變減小。（3）當(dāng)應(yīng)變速率一定時(shí)，變形溫度越高，流動(dòng)應(yīng)力越小，流動(dòng)應(yīng)力同樣對(duì)變形溫度敏感。應(yīng)變速率為1s-1，較低的變形溫度990℃和1030℃，應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)了非連續(xù)屈服現(xiàn)象。

圖2 TC18鈦合金鑄態(tài)組織在不同溫度和應(yīng)變速率壓縮的應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.2.2 表觀變形激活能

高溫塑性變形最顯著的特點(diǎn)之一便是變形受熱激活過(guò)程控制。變形溫度、應(yīng)變速率對(duì)流動(dòng)應(yīng)力的影響可用Arrhenius方程表示：

圖3為TC18鈦合金鑄態(tài)組織熱變形的表觀變形熱激活能。由圖3可以看出，在高溫變形過(guò)程中，隨著應(yīng)變的增加表觀變形熱激活能先增加后降低，但是降低幅度比較小，應(yīng)變對(duì)TC18鈦合金的變形激活能影響不顯著。根據(jù)lnσ-lnε曲線斜率和lnσ-1/T曲線斜率得到TC18鈦合金的表觀變形熱激活能平均值為189.81kJ·mol-1。與β-Ti的自擴(kuò)散激活能153kJ·mol-1相比，TC18鈦合金鑄態(tài)組織單相區(qū)高溫下的表觀激活能相差不多，表明高溫變形過(guò)程以位錯(cuò)攀移控制的動(dòng)態(tài)回復(fù)機(jī)制占主導(dǎo)地位。這也與前面應(yīng)力應(yīng)變曲線隨溫度和應(yīng)變速率的影響分析是一致的。

圖3 TC18鈦合金鑄態(tài)組織熱變形的表觀變形熱激活能

2.2.3 應(yīng)變速率敏感性指數(shù)

應(yīng)變速率敏感性指數(shù)（m）是超塑性變形中的重要參數(shù)，表征材料形成縮頸的傾向。通過(guò)公式（2）可以計(jì)算不同應(yīng)變下的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)（m）。即：

圖4為TC18鈦合金鑄態(tài)組織高溫壓縮時(shí)的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)，應(yīng)變?yōu)?.6。應(yīng)變速率1s-1時(shí)，隨變形溫度的增加，m值先增加后降低；其他應(yīng)變速率下，m值波動(dòng)較小。

圖4 TC18鈦合金鑄態(tài)組織高溫壓縮時(shí)應(yīng)變速率敏感性指數(shù)ε=0.6

3 結(jié)論

（1）TC18鈦合金鑄錠頭部和中部低倍組織相比，頭部鑄態(tài)組織寬度比較一致，中部鑄態(tài)組織出現(xiàn)了大晶粒區(qū)域。

（2）TC18鈦合金鑄態(tài)組織的表觀變形熱激活能平均值為189.81kJ·mol-1。

（3）當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.6時(shí)，應(yīng)變速率敏感性指數(shù)在應(yīng)變速率1s-1時(shí)，隨變形溫度的增加，m值先增加后降低，其他應(yīng)變速率下，m值波動(dòng)較小。