TC11鈦合金熱變形性能的試驗(yàn)研究

上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所 孫海全 朱小兵 肖曉青

TC11鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱率低和耐腐蝕等特點(diǎn)，是Ti-Al-Mo-Zr-Si系的兩相熱強(qiáng)型鈦合金，可在500℃下長(zhǎng)期工作，具有優(yōu)異的熱強(qiáng)性，并具有較高的室溫強(qiáng)度和良好的熱加工工藝性能，適于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤、葉片、鼓筒和軸類等零件[1-2]，在航空、航天、兵器等薄壁殼體零件的結(jié)構(gòu)輕量化需求中有著廣泛的應(yīng)用前景[3]，是未來導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的備選材料之一。

TC11鈦合金熱加工成形溫度范圍窄，變形抗力大，其變形抗力和微觀組織對(duì)應(yīng)變溫度、應(yīng)變速率很敏感，易造成產(chǎn)品的顯微組織不均勻和成形過程中變形不均勻，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性[4-5]。為探討TC11鈦合金合適的旋壓溫度，需要開展TC11鈦合金熱壓縮模擬試驗(yàn)，研究變形溫度、變形速率對(duì)TC11鈦合金力學(xué)性能和顯微組織的影響。本文針對(duì)TC11鈦合金熱旋壓成形需求，進(jìn)行了溫度600℃～800℃、應(yīng)變速率（ε）0.001～1s-1下的熱壓縮試驗(yàn)，得到該合金在不同應(yīng)變溫度和應(yīng)變速率條件下的流動(dòng)應(yīng)力曲線，探討了熱加工條件下微觀變形機(jī)制與組織變化規(guī)律，為TC11鈦合金熱旋壓成形工藝的制定提供一定的理論與試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用TC11鈦合金是由寶雞有色金屬加工廠生產(chǎn)的φ320mm雙重退火態(tài)的熱軋管材，其主要化學(xué)成分見表1。雙重退火制度為960℃/1hAC+530℃/6hAC，退火后組織為等軸α相+β轉(zhuǎn)，是均勻分布的混合組織，其中有初生相α（亮塊）和α+β混合體的β轉(zhuǎn)（暗塊），這種組織是合金在（α+β）區(qū)內(nèi)低于相變點(diǎn)30℃～50℃的溫度變形時(shí)所獲得的[6]，其微觀組織形貌如圖1所示。

表1 TC11鈦合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

圖1 TC11鈦合金雙重退火態(tài)等軸組織Fig.1 Equiaxed microstructure of TC11 titanium alloy under double annealing state

1.2 熱模擬壓縮試驗(yàn)參數(shù)的選取

為研究不同大小級(jí)別的應(yīng)變速率對(duì)旋壓成形過程的影響，熱模擬的變形速率需根據(jù)旋壓工藝的變形速率來確定，旋壓有效應(yīng)變速率計(jì)算公式[7]：其中，ν0為進(jìn)給速度；αρ為旋輪成形角；初始壁厚為t0、tf、tθf分別為旋壓前、旋壓后、旋壓過程中不同θ層的壁厚；φt為壁厚減薄率。

旋壓參數(shù)設(shè)定為：旋壓毛坯壁厚10mm，第一道次旋輪與芯模的間隙X3=8.80mm，X=7.6mm，X2=6.50mm，進(jìn)給速度為1.2mm/s，旋輪前角αρ為22°。

最終壁厚 tf3=8.80mm、tf1=7.6mm、 tf2=6.50mm，對(duì)應(yīng)的減薄率φt分別為12%、24%、35%，代入上式，得到不同減薄率下的最大旋壓應(yīng)變速率為0.06s-1、0.07s-1、0.08s-1，最大在0.1s-1左右。確定熱壓縮模擬的應(yīng)變速率范圍為 0.001s-1、0.01s-1、0.1s-1、1s-1。

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)查閱初步確定熱旋溫度為600℃～800℃，選取的熱壓縮的溫度數(shù)值分別為600℃、650℃、700℃、750℃、800℃。

1.3 試驗(yàn)方法

熱變形試驗(yàn)在Gleeble-1500熱模擬機(jī)上進(jìn)行。壓縮試樣尺寸為φ8 mm×12 mm，應(yīng)變速率范圍為 0.001s-1、0.01s-1、0.1s-1、1s-1，應(yīng)變溫度為 600℃、650℃、700℃、750℃、800℃，每個(gè)試樣的變形量為60%。試驗(yàn)結(jié)束后立刻水淬以保留變形組織，采用光學(xué)顯微鏡對(duì)變形后組織進(jìn)行觀察，試樣所用腐蝕劑為：5%HF+15%HNO3+80%H2O。

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2為應(yīng)變速率為0.001s-1、0.1s-1時(shí)的不同溫度的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖3為650℃、750℃時(shí)不同應(yīng)變速率的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖2和圖3中可以看出：材料的應(yīng)力-應(yīng)變行為表現(xiàn)出先硬化后軟化的趨勢(shì)，最后達(dá)到一種相對(duì)穩(wěn)定的應(yīng)力水平；相同變形速率下，變形溫度越低，變形抗力就越大；相同變形溫度下，應(yīng)變速率越大，變形抗力就越大。低溫變形時(shí)最大變形抗力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變量要大于高溫變形時(shí)，應(yīng)變?cè)黾拥郊s0.15左右時(shí)，變形抗力達(dá)到最大值；在應(yīng)變?yōu)?.6左右，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，變形抗力值基本保持恒定。

2.2 變形條件對(duì)變形抗力的影響

圖4為最大變形抗力σm與應(yīng)變溫度的關(guān)系圖，圖5為σm與應(yīng)變速率的關(guān)系圖。從圖4可以看出，隨著變形溫度的增加，變形抗力逐漸減小。這是由于溫度升高，動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶進(jìn)行得越充分，變形抗力越來越小。圖4中各個(gè)溫度區(qū)間變形抗力的降幅較均勻，溫度和變形抗力基本呈線性關(guān)系；700℃～800℃時(shí)不同應(yīng)變速率下變形抗力的降幅隨變形溫度的增加越來越大，650℃～700℃的降幅基本相等，說明TC11鈦合金在650℃～700℃對(duì)應(yīng)變速率不太敏感，在700℃～800℃對(duì)應(yīng)變速率較敏感。

圖2 相同應(yīng)變速率、不同溫度下的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of TC11 titanium alloy at same strain rate and different temperatures

在圖5中，應(yīng)變速率在0.001s-1～0.01s-1區(qū)間變化時(shí)，變形抗力的增幅較大，最大增幅達(dá)130MPa；應(yīng)變速率在0.1s-1～1s-1區(qū)間變化時(shí)，變形抗力的增幅較小，最小增幅為 15MPa；在較高溫度下（700℃、750℃、800℃），σm隨著應(yīng)變速率的增大而增大，但是，隨著應(yīng)變速率的增大，變形抗力增加的幅度卻越來越小，變形抗力與應(yīng)變速率之間呈非線性的關(guān)系。700℃～800℃時(shí)，最大變形抗力的增幅隨應(yīng)變速率的增加越來越小，說明在此溫度范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶隨應(yīng)變速率的增加進(jìn)行得越來越充分。

變形速率增加會(huì)造成位錯(cuò)效應(yīng)和溫度效應(yīng)，位錯(cuò)效應(yīng)促使變形抗力增大，溫度效應(yīng)促使變形抗力降低[8]。圖5中，650℃時(shí)，變形抗力σm也有隨應(yīng)變速率逐漸增大的趨勢(shì)，但是當(dāng)應(yīng)變速率處于0.1s-1和1s-1時(shí)，變形抗力σm幾乎相同，說明在這個(gè)區(qū)間，應(yīng)變速率造成變形抗力的增加和溫度效應(yīng)造成的變形抗力的減小的程度是一樣的，最終使變形抗力保持穩(wěn)定；600℃時(shí)，不同應(yīng)變速率下的峰值應(yīng)力σm均為700MPa左右，沒有隨應(yīng)變速率的變化表現(xiàn)出增加或減小的趨勢(shì)，說明TC11鈦合金在600℃下，溫度效應(yīng)顯著。還可以看出，650℃～700℃時(shí)隨著變形速率的增大，變形抗力雖然增加，但是增加的幅度很小，可以認(rèn)為，該合金在該溫度范圍內(nèi)不是應(yīng)變速率敏感材料，在旋壓的時(shí)候，變形速率有較寬的選擇范圍。

圖3 相同溫度、不同應(yīng)變速率下的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of TC11 titanium alloy at sametemperature and different strain rates

在鈦合金熱旋時(shí)，溫度偏低，金屬的變形抗力大，塑性差，在旋壓過程中容易產(chǎn)生裂紋；溫度過高又容易使變形后的金屬晶粒長(zhǎng)大，氧化加劇，降低旋壓后的綜合性能，并且溫度過高使得變形抗力過小，材料變軟，很容易發(fā)生起皺缺陷。綜上所述，650℃～750℃是TC11鈦合金比較合理的旋壓溫度，在650℃～750℃、0.1s-1～1s-1應(yīng)變速率下，溫度效應(yīng)和速率效應(yīng)幾乎相抵消，變形抗力基本保持不變，有利于旋壓過程中合金均勻化變形。此外，在此溫度區(qū)間旋壓變形時(shí)，變形速率有較寬的選擇范圍，通過調(diào)整進(jìn)給比可改善鈦合金旋壓成形質(zhì)量。

2.3 變形條件對(duì)顯微組織的影響

圖6為TC11鈦合金在650℃、不同應(yīng)變速率條件下變形后的顯微組織圖，圖7為應(yīng)變速率和α相的體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系圖。由圖6可見，在同一變形溫度下，變形速率越大，α相和β相晶粒被拉長(zhǎng)細(xì)化的程度越高；隨著應(yīng)變速率的增加，初生α相含量呈先增多再減少的趨勢(shì)（圖6和圖7）。在低應(yīng)變速率（0.001s-1、0.01s-1）條件下，α晶粒仍成等軸狀，沿變形方向被拉長(zhǎng)的現(xiàn)象不明顯。在高應(yīng)變速率（0.1s-1、1s-1）條件下，β相隨金屬流動(dòng)方向變扁、拉長(zhǎng)效果顯著，主要發(fā)生了動(dòng)態(tài)回復(fù)。β相為bcc結(jié)構(gòu)，具有較高的層錯(cuò)能，變形時(shí)容易發(fā)生攀移和交滑移，可以較容易地發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)[8-9]，等軸晶被拉長(zhǎng)效果明顯并使晶粒得到細(xì)化。圖7中，相同溫度下，應(yīng)變速率為1s-1時(shí)β相含量最多，這也驗(yàn)證了圖6（d）中β相晶粒被拉長(zhǎng)效果最明顯的現(xiàn)象，因?yàn)棣孪嘣蕉?，?dòng)態(tài)回復(fù)變形機(jī)制占的比重就越大，拉長(zhǎng)細(xì)化現(xiàn)象越明顯。

圖4 σm與應(yīng)變溫度的關(guān)系Fig.4 Relation of σm and temperature

圖5 σm與應(yīng)變速率的關(guān)系Fig.5 Relation of σm and strain rate

圖8為TC11鈦合金在0.1s-1、不同溫度條件下變形后的顯微組織圖。圖中可見，在同一應(yīng)變速率下，隨著溫度的升高，β相的等軸晶粒被拉長(zhǎng)效果減弱，晶粒變粗大；α相晶粒變大，等軸化效果增強(qiáng)。在相對(duì)低變形溫度下（600℃、650℃、700℃），變形后α相和β相晶粒沿壓縮的垂直方向被明顯拉長(zhǎng)了，晶界平直，為典型的動(dòng)態(tài)回復(fù)特征；在相對(duì)高變形溫度下（750℃、800℃），變形后晶粒比較粗大，為等軸態(tài)組織，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶為主要變形機(jī)制。

圖6 650℃、不同應(yīng)變速率條件下TC11鈦合金光學(xué)顯微組織Fig.6 OM of TC11 alloy at 650℃ and different strain rates

圖7 應(yīng)變速率和α相的體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.7 Relation of α volume fracrion and strain rate

圖8 應(yīng)變速率為0.1s-1、不同溫度條件下TC11鈦合金光學(xué)顯微組織Fig.8 OM of TC11 alloy at 0.1s-1 strain rate and different temperatures

由圖1知，變形前，TC11鈦合金組織為等軸α相+β轉(zhuǎn)，β轉(zhuǎn)為α相+β相混合相間的組織，這是一種非平衡組織，高溫下將進(jìn)行分解，發(fā)生β轉(zhuǎn)→α+β平衡組織的轉(zhuǎn)變。在相對(duì)低溫情況下，由于原子擴(kuò)散能力差，長(zhǎng)距離擴(kuò)散變得很困難，此時(shí)β相以細(xì)長(zhǎng)的片層形態(tài)彌散分布在α相之間，形成α、β相片層交替排列的組織形態(tài)，如圖8（a）所示；在相對(duì)高溫情況下，由于原子擴(kuò)散能力較強(qiáng)，晶粒形核長(zhǎng)大容易[10]。在繼續(xù)變形過程中，組織變化涉及到α相晶核形成和長(zhǎng)大的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程，也包括β相的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

3 結(jié)論

（1）在各個(gè)變形溫度和應(yīng)變速率條件下, TC11鈦合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表現(xiàn)出先硬化后軟化的趨勢(shì)，最后都獲得一種相對(duì)穩(wěn)定的變形狀態(tài)。

（2）在同一變形溫度下，隨著應(yīng)變速率的增加，變形抗力增大的幅度很小，α相含量呈先增多再減少的趨勢(shì)，晶粒被拉長(zhǎng)效果顯著，變形以動(dòng)態(tài)回復(fù)機(jī)制為主；在同一變形速率下，隨溫度越高，變形抗力逐漸減小，α相晶粒粗大，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶特征越明顯。

（3）TC11鈦合金合理的旋壓溫度為650℃～700℃，變形速率在此溫度范圍有較寬的選擇范圍，可根據(jù)各道工序的需要對(duì)轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度進(jìn)行調(diào)整。

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