TC10鈦合金高溫變形行為和組織演變的研究

秦桂紅，嚴(yán) 彪，計 波，吳英彥，陸 偉

(1. 同濟大學(xué)，上海 201804) (2. 寶鋼特鋼有限公司，上海 200940)

?

TC10鈦合金高溫變形行為和組織演變的研究

秦桂紅1,2，嚴(yán) 彪1，計 波2，吳英彥2，陸 偉1

(1. 同濟大學(xué)，上海 201804) (2. 寶鋼特鋼有限公司，上海 200940)

通過恒應(yīng)變壓縮實驗研究了鍛態(tài)TC10鈦合金的高溫變形行為和組織演變規(guī)律，變形溫度為800～920 ℃，應(yīng)變速率為0.01～10 s-1，變形量為60%。研究結(jié)果表明：降低變形溫度、提高應(yīng)變速率，流變應(yīng)力會在變形初期迅速增加，而顯微組織沒有明顯變化，當(dāng)流變應(yīng)力達到最大值后隨著動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生而逐漸降低。提高變形溫度、降低應(yīng)變速率，能夠為動態(tài)再結(jié)晶提供能量，細(xì)化組織并降低流變應(yīng)力。綜合分析表明：在變形溫度為840～900 ℃，應(yīng)變速率為0.01～0.1 s-1的參數(shù)范圍內(nèi)進行熱變形可以獲得性能優(yōu)良的TC10鈦合金產(chǎn)品。

TC10鈦合金；高溫變形行為；組織演變；變形溫度；應(yīng)變速率

0 引 言

TC10鈦合金名義成分為 Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Fe-0.5Cu，是在Ti-6Al-4V合金基礎(chǔ)上，添加較多β相穩(wěn)定元素釩以及其他調(diào)節(jié)元素研制出的一種多元強化鈦合金。由于TC10鈦合金具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐熱性能(可在 400 ℃以下長期使用),較好的抗氧化性、耐蝕性和焊接性能，被廣泛應(yīng)用于飛機機身、火箭發(fā)動機、核反應(yīng)堆部件以及石油勘探設(shè)備等[1]。與Ti-6Al-4V合金相比，TC10鈦合金增加的β相穩(wěn)定元素極大改善了其熱處理特性，常溫和高溫性能均有明顯改進，其退火態(tài)強度要高于Ti-6Al-4V合金的退火態(tài)強度，并且還可通過固溶時效處理達到更高的強度。由于TC10鈦合金在國內(nèi)的應(yīng)用較少，關(guān)于其研究的報道內(nèi)容也較少，并且TC10鈦合金的組織性能對熱加工工藝參數(shù)很敏感[2-5]，因此研究該合金的高溫變形行為，對于制定合理的熱加工工藝具有很重要的實際意義。

1 實 驗

實驗以寶鋼特鋼有限公司生產(chǎn)的φ110 mm的TC10鈦合金棒材為研究對象，在Thermecmastor-Z熱模擬試驗機上進行恒溫和恒應(yīng)變速率壓縮試驗。拉伸試樣為φ8 mm×12 mm的圓柱體，試驗時在兩端墊上高溫合金墊片，并用云母片潤滑。試驗溫度分別為800、830、860、890、920 ℃，應(yīng)變速率分別為0.01、0.1、1.0、10 s-1，變形量為60%。以5 ℃/s的升溫速度升高到設(shè)定溫度保溫5 min，然后進行壓縮，壓縮結(jié)束后采用壓縮氬氣冷卻。之后使用線切割將試樣沿鼓形位置進行橫向切割，鑲嵌、研磨拋光腐蝕后利用DM6000M型顯微鏡觀察橫截面的顯微組織。

2 結(jié)果與討論

2.1 TC10鈦合金高溫變形時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖1為TC10鈦合金在恒定溫度、不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖1可以看出，試樣的最大流變應(yīng)力出現(xiàn)在最開始的階段，但隨著應(yīng)變的增加，流變應(yīng)力逐漸降低并呈線性變化，為典型的應(yīng)變軟化。這是因為初始階段材料出現(xiàn)加工硬化，隨著應(yīng)變的增加，材料出現(xiàn)屈服之后通過位錯滑移開始發(fā)生塑性變形，塑性增加而流變應(yīng)力減小。此外，流變應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的增加而增加，這是因為應(yīng)變速率的增大導(dǎo)致位錯移動的阻力增加，從而流變應(yīng)力增加。

由圖1還可以看出，變形溫度和變形速率對TC10鈦合金流變應(yīng)力的影響很大。從合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以判斷，TC10鈦合金在890 ℃以下進行鍛造時，應(yīng)采用較低的應(yīng)變速率(0.01 s-1以下)，以減小材料在變形過程中所受到的應(yīng)變硬化作用，這就要求在實際鍛造過程中需控制錘頭速度和壓下量。而在920 ℃以上進行鍛造時，材料具有很好的熱加工性能，變形過程中幾乎不存在應(yīng)變硬化作用，而且應(yīng)變速率對流變應(yīng)力的影響也很小。但值得注意的是在應(yīng)變速率為0.1 s-1時，最大流變應(yīng)力卻不是出現(xiàn)在最初始階段，流變應(yīng)力是先增大再逐步減小，當(dāng)溫度超過890 ℃時才趨于正常，此原因還需要進一步研究，有可能是因為該應(yīng)變速率下有新的相析出或應(yīng)力誘發(fā)相變所致。

圖1 TC10鈦合金的恒溫應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2為變形溫度和應(yīng)變速率與流變應(yīng)力的關(guān)系曲線，從圖中可以直觀地看到變形溫度和應(yīng)變速率對流變應(yīng)力的影響。流變應(yīng)力隨著變形溫度的升高逐漸降低，當(dāng)溫度大于860 ℃時，溫度對流變應(yīng)力的影響明顯減小，即當(dāng)溫度大于860 ℃時TC10鈦合金具有很好的塑性變形能力。流變應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的增加而迅速增加，當(dāng)應(yīng)變速率大于1.0 s-1時，應(yīng)變速率對流變應(yīng)力的影響明顯減小(更低應(yīng)變速率對合金流變應(yīng)力的影響可以參閱文獻[4])。由此可以判斷，比較適合的TC10鈦合金加工溫度區(qū)間和應(yīng)變速率應(yīng)分別為860～920 ℃和0.01～0.1 s-1，但是，要得到綜合性能優(yōu)良的TC10鈦合金產(chǎn)品，還要合理控制初生α相的含量[6]，因此最佳的變形溫度應(yīng)該控制在840～900 ℃之間。

圖2 變形溫度和應(yīng)變速率與流變應(yīng)力的關(guān)系曲線

2.2 TC10鈦合金高溫變形時的組織演變

圖3為變形溫度為860 ℃時，TC10鈦合金在不同應(yīng)變速率下變形量為60%的顯微組織照片。由圖3可以看出，TC10鈦合金顯微組織與應(yīng)變速率的關(guān)系不大，不同應(yīng)變速率下顯微組織中初生α相的含量和形狀幾乎沒有明顯變化。當(dāng)應(yīng)變速率達到10 s-1時，初生α相的含量稍有減少，且條狀α相稍有增多，這可能是因為在高速變形下，等軸α相晶粒在壓力作用下移動受阻與臨近α相晶粒發(fā)生粘合所致，從而導(dǎo)致應(yīng)變應(yīng)力增加，因此TC10鈦合金不適于高應(yīng)變速率變形。

圖3 不同應(yīng)變速率下TC10鈦合金的顯微組織

圖4為應(yīng)變速率為0.1 s-1時，TC10鈦合金在不同溫度下變形量為60%的顯微組織照片。由圖4可以看到，TC10鈦合金的顯微組織隨變形溫度的變化很大。當(dāng)變形溫度由800 ℃升高到830 ℃時，顯微組織沒有明顯變化。但在溫度由860 ℃升高到920 ℃的過程中，顯微組織發(fā)生了很大的變化，初生α相含量隨著溫度的升高明顯減少并且初生α相主要分布在晶界處，當(dāng)升高至920 ℃時，初生α相含量只有10%左右。這是因為隨著溫度的升高，組織發(fā)生了α相→β相的轉(zhuǎn)變。此外，由于溫度的升高為晶粒長大提供了更多的能量，使得晶粒迅速長大，但隨著溫度的進一步增加和單次累計變形量的增加，變形過程中發(fā)生了再結(jié)晶，使晶粒細(xì)化。因此，TC10鈦合金在高溫變形過程中的組織演變規(guī)律是，初生α相隨著溫度的升高而逐漸減少，晶粒則是先變大后變小，這與TC6鈦合金在高溫變形中的組織變化是相似的[7-8]。

3 結(jié) 語

(1)TC10鈦合金在高溫變形過程中，變形溫度和變形速率對流變應(yīng)力的影響較大，顯微組織主要受變形溫度的影響，受應(yīng)變速率的影響不大。

圖4 不同應(yīng)變速率下TC10鈦合金的顯微組織

(2)變形溫度的降低和應(yīng)變速率的增加都會使流變應(yīng)力增加，當(dāng)變形溫度超過890 ℃時，流變應(yīng)力受溫度和變形速率的影響很小，且沒有明顯的應(yīng)變硬化。

(3)TC10鈦合金顯微組織中初生α相含量隨著變形溫度的升高而逐漸減少，晶粒則是先變大后變小。

(4)TC10鈦合金的鍛造溫度在840～900 ℃、應(yīng)變速率在0.1～0.01 s-1之間為宜。

[1]稀有金屬加工手冊編寫組. 稀有金屬材料加工手冊[M].北京: 冶金工業(yè)出版，1984: 87．

[2]胡曉晨，陳林，朱寶輝，等.變形方式和熱處理工藝對Ti-662 合金棒材組織和性能的影響[J].鈦工業(yè)進展，2013，30(2)：17-20.

[3]張智，李維，廖強,等. 不同鍛造工藝對TC10鈦合金組織和性能的影響[J]. 機械工程與自動化,2014(3):108-111.

[4] Lin S C，Wang W H. Microstructural changes occurring during superplastic deformation of Ti-6Al-6V-2Sn alloy[J]. Materials Science and Technology，1997, 31:761-768.

[5]戚運蓮，杜宇，劉偉,等. 熱處理溫度對TC10鈦合金棒材組織與性能的影響[J].鈦工業(yè)進展,2011,28(5): 31-33.

[6]王金友,葛志明,周彥邦.航空用鈦合金[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1985.

[7]熊愛明,陳勝暉,黃維超,等. TC6鈦合金高溫變形力學(xué)行為研究[J].鍛壓技術(shù),2003(2):41-43.

[8]熊愛明,黃維超,陳勝暉,等. 高溫變形參數(shù)對TC6鈦合金微觀組織的影響研究[J]. 航空材料學(xué)報, 2003,23(1):11-15.

Investigation on Thermal Deformation Performance and Microstructure Transition of TC10 Titanium Alloy

Qin Guihong1,2, Yan Biao1, Ji Bo2, Wu Yingyan2，Lu Wei1

(1.Tongji University，Shanghai 201804，China)(2.Baosteel Specialsteel Co. ,Ltd. , Shanghai 200940，China)

Thermal deformation performance and microstructure transition under the constant temperature and the constant strain rate of forged TC10 titanium alloy were investigated. The hot simulator was over the range of deformation temperature from 800 ℃ to 920 ℃, strain rate from 0.01 s- 1to 10 s-1, and maximum deformation degree of 60%. The experimental results show that for tests at low temperature and high strain rate, the flow stress increases quickly at the very beginning of the deformation without significant change on microstructure. After the flow stress reaches its maximum value, dynamic recrystallisation occurres at a lamellae accompanied by a decrease of the flow stress, known as strain softening. Raising the deformation temperature or decreasing the strain rate can provide the energy for dynamic recrystallisation,refine grain and reduce the flow stress. Thereafter, optimal process parameters for TC10 titanium alloy products with excellent performance are the temperature of 840 ℃ to 900 ℃ and strain rate of 0.01 s- 1to 0.1 s- 1.

TC10 titanium alloy; thermal deformation performance; microstructure transition; deformation temperature; strain rate

2015-08-11

秦桂紅(1976—)，女，工程師。

TG146.2+3

A

1009-9964(2015)06-0019-04