TC21-0.28%H鈦合金微觀組織及其高溫變形行為研究

王耀奇， 侯紅亮， 牛 勇

(1.北京航空制造工程研究所，北京100024;2.西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，西安710072)

鈦合金氫處理是利用氫的可逆合金化作用，通過合理控制合金中的氫含量及其存在狀態(tài)，在不改變材料整體狀態(tài)的前提下，形成有利于改善加工性能的組織結(jié)構(gòu)，改善鈦合金加工性能的一項(xiàng)新技術(shù)，近些年，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，在置氫組織轉(zhuǎn)變、置氫塑性加工、切削加工、連接加工以及粉末固結(jié)加工等方面均取得了重要的研究進(jìn)展［1～7］，證明了該技術(shù)的有效性與適用性。

TC21鈦合金是我國自行研制的一種新型兩相高強(qiáng)高韌高損傷容限型鈦合金，可作為重要的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域［8，9］。研究顯示，氫對(duì)TC21鈦合金的熱變形行為有重要的影響，在0.2%～0.3%氫含量范圍內(nèi)，800℃熱變形時(shí)，穩(wěn)態(tài)變形抗力最大可降低28%，極大地改善了其熱加工性能。本工作在前期研究的基礎(chǔ)上，通過置氫處理獲得氫含量為0.28%的TC21鈦合金，利用微觀分析，研究了氫對(duì)其組織結(jié)構(gòu)的影響，通過熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn)，深入研究了其高溫變形行為，為揭示氫改善TC21鈦合金的變形機(jī)理奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料為西北有色金屬研究院制備的退火態(tài)TC21鈦合金棒材，其直徑為14mm。試樣經(jīng)表面處理，置入自制的管式氫處理爐內(nèi)，采用固態(tài)充氫法在750℃條件下進(jìn)行置氫實(shí)驗(yàn)，獲得氫含量為0.28%的置氫TC21鈦合金，表示為TC21-0.28%H，采用高精度天平通過稱重法測量試樣的氫含量，高精度物理天平的感量為1×10-5g。利用連續(xù)升溫金相法測試TC21-0.28%H鈦合金的相變溫度為840℃。

采用OLYMPUS BX41M光學(xué)顯微鏡觀察置氫前后的微觀組織，利用XRD分析置氫前后的相成分，在Gleeble-1500D熱模擬機(jī)上TC21-0.28%H鈦合金進(jìn)行等溫恒應(yīng)變速率熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)溫度分別為800℃，840℃，880℃和920℃，應(yīng)變速率分別為0.01s-1，0.1s-1和1s-1，壓縮變形量為50%，試樣的尺寸規(guī)格為φ8 mm×12mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微觀組織轉(zhuǎn)變

TC21鈦合金置氫前后的微觀組織與XRD圖譜如圖1和圖2所示。結(jié)果顯示，置氫前，TC21鈦合金為初生α相與β轉(zhuǎn)變組織組成的混合型組織，并且XRD分析表明，TC21鈦合金由α相與少量β相組成;置氫后，α相與β相難以分辨，這是因?yàn)橹脷浜螃料嗯cβ相電位差相近，導(dǎo)致侵蝕程度接近所致［10，11］。XRD分析表明，置氫后β相的衍射峰增強(qiáng)，說明β相比例增加，并且β相的衍射峰向低角度方向移動(dòng)，與Ti6Al4V鈦合金置氫后XRD分析結(jié)果一致［12］，而α相的衍射峰卻沒有明顯變化，證明氫在β相中引起的晶格畸變要遠(yuǎn)大于α相中的晶格畸變，因此氫在β相中的固溶強(qiáng)化效果顯著，此外，在XRD圖譜中還觀察到馬氏體α″與氫化物δ的衍射峰，說明置氫后合金中形成了馬氏體α″與氫化物δ相。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

TC21-0.28%H鈦合金在不同變形條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。當(dāng)變形溫度低于840℃，應(yīng)變速率在0.01～1s-1時(shí)，TC21-0.28H%鈦合金的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)回復(fù)特征，流動(dòng)應(yīng)力經(jīng)過比較明顯的加工硬化達(dá)到最大值后，加工硬化與流變軟化相平衡，曲線基本處于平穩(wěn)狀態(tài)。當(dāng)變形溫度高于840℃，應(yīng)變速率在0.01～1s-1時(shí)，流變應(yīng)力曲線同樣表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)回復(fù)特征，但應(yīng)變速率在0.1～1s-1時(shí)，TC21-0.28H%鈦合金的流動(dòng)應(yīng)力經(jīng)過最大值后，突然出現(xiàn)流變“軟化”現(xiàn)象，流動(dòng)應(yīng)力驟然降低，這是因?yàn)樵谧冃芜^程中，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率快，容易被溶質(zhì)原子釘扎，隨著變形量的增加，位錯(cuò)塞積越來越嚴(yán)重，導(dǎo)致應(yīng)力集中，到一定程度時(shí)合金便會(huì)向有利的方向上繼續(xù)變形，導(dǎo)致應(yīng)力急劇降低，在其他種類鈦合金的熱變形中也觀察過類似的現(xiàn)象［13］。

2.3 高溫變形的本構(gòu)方程

金屬的熱變形過程中，其應(yīng)變速率、變形溫度對(duì)流動(dòng)應(yīng)力的影響可用Arrhenius方程表示:

其中:ˉε為應(yīng)變速率，s-1;Q為變形激活能，kJ· mol-1;R為氣體常數(shù)，R=8.3145J·mol-1·K-1;σ是流動(dòng)應(yīng)力，MPa;T是變形溫度，K;A是材料常數(shù); n是應(yīng)力指數(shù)。

圖3 不同溫度條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.3 The flow stress-strain curves at various temperature (a)800℃;(b)840℃;(c)880℃;(d)920℃

T一定時(shí)，對(duì)lnσ求偏導(dǎo)，得出:

并且應(yīng)變速率敏感指數(shù)m=1/n。

對(duì)不同溫度、不同應(yīng)變速率條件下的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力取對(duì)數(shù)，分別以ln(ˉε)和1/T為橫坐標(biāo)，繪制ln(σ)-ln(ˉε)曲線及l(fā)n(σ)-1/T曲線，如圖4，圖5所示。結(jié)果顯示，TC21-0.28%H鈦合金的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變速率的雙對(duì)數(shù)曲線滿足線性關(guān)系，隨著應(yīng)變速率的增加，穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力增加，通過線性擬合獲得每條曲線的斜率，由公式4可知，該斜率即為該溫度下的m值，可見，隨著溫度的升高，m值增加。穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力的對(duì)數(shù)與溫度的倒數(shù)并不是簡單的線性關(guān)系，說明在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)熱變形激活能并不唯一，TC21-0.28%H鈦合金的相變溫度為840℃，以0.89847(相變溫度的倒數(shù))為分界線，在該分界線的左右兩側(cè)，穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力的對(duì)數(shù)與溫度的倒數(shù)均呈線性關(guān)系，隨著變形溫度的降低，穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力升高，通過線性擬合獲得每條曲線的斜率。利用公式(3)和(4)，計(jì)算α+β相區(qū)與β相區(qū)的激活能，分別為233kJ/mol與158kJ/mol。馮亮在研究TC21鈦合金的高溫變形過程中顯示，TC21鈦合金在α+ β相區(qū)與 β相區(qū)的激活能分別為331kJ/mol與 176kJ/mol［14］，可見置氫后變形激活能降低，因此，在相同條件下，與TC21鈦合金相比，TC21-0.28%H鈦合金更易于加工，加工性能得到改善。TC21-0.28%H鈦合金在800～840℃和840～920℃時(shí)的塑性流動(dòng)本構(gòu)方程如下。

800℃≤T＜840℃，α+β相區(qū):

ˉε=e-0.23030σ4.91111exp(-233000/RT)

840℃≤T≤920℃，β相區(qū):

ˉε=e-4.04582σ4.01762exp(-158000/RT)

圖4 ln(σ)-ln(ˉε)曲線Fig.4 Plots of ln(σ)versus ln(ˉε)

圖5 ln(σ)-1/T曲線Fig.5 Plots of ln(σ)versus 1/T

一般認(rèn)為，當(dāng)材料的變形激活能與其自擴(kuò)散激活能相近時(shí)，動(dòng)態(tài)回復(fù)為主要軟化機(jī)制，變形是以擴(kuò)散控制為主，而當(dāng)變形激活能大大高于自擴(kuò)散激活能時(shí)，材料的熱變形則是動(dòng)態(tài)回復(fù)以外的機(jī)制起作用，可能會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，變形機(jī)制以位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)為主。

TC21-0.28%H鈦合金在相變溫度(840℃)以下變形時(shí)，α相含量較多，并且經(jīng)計(jì)算顯示其變形激活能為233kJ/mol，與 α鈦合金的自擴(kuò)散激活能150kJ/mol［15，16］接近，因此 α相的動(dòng)態(tài)回復(fù)為主要軟化機(jī)制，變形是以擴(kuò)散控制為主，與應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系結(jié)果一致，如圖3a所示。在相變溫度以上變形時(shí)，TC21-0.28%H鈦合金以β相為主，計(jì)算顯示其變形激活能為158kJ/mol，與β鈦合金的自擴(kuò)散激活能153kJ/mol［15，16］接近，可見β相的動(dòng)態(tài)回復(fù)是其主要軟化機(jī)制，變形是以擴(kuò)散控制為主，與應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系結(jié)果相一致，如圖3b～3d所示。

3 結(jié)論

(1)與TC21鈦合金相比，TC21-0.28%H鈦合金β相比例顯著增加，氫在β相中誘發(fā)的固溶強(qiáng)化效果比α相中明顯，并且有新相馬氏體α″與氫化物δ生成，上述組織結(jié)構(gòu)的變化決定了TC21-0.28%H鈦合金的變形行為。

(2)建立了 TC21-0.28%H鈦合金在800～840℃和840～920℃時(shí)的塑性流動(dòng)本構(gòu)方程。

(3)TC21-0.28%H鈦合金在α+β相區(qū)的變形激活能為233kJ/mol，軟化機(jī)制為α相的動(dòng)態(tài)回復(fù)，在β相區(qū)的變形激活能為153kJ/mol，軟化機(jī)制為β相動(dòng)態(tài)回復(fù)。

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