TC18鈦合金的超塑性行為與變形機(jī)制

刁仲馳，姚澤坤，申景園，劉 瑞，郭鴻鎮(zhèn)

(1 西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，西安 710072；2難變形材料鍛造技術(shù)研究應(yīng)用中心，西安 710072)

TC18鈦合金的超塑性行為與變形機(jī)制

刁仲馳1,2，姚澤坤1,2，申景園1,2，劉 瑞1,2，郭鴻鎮(zhèn)1,2

(1 西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，西安 710072；2難變形材料鍛造技術(shù)研究應(yīng)用中心，西安 710072)

通過高溫拉伸實(shí)驗(yàn)研究TC18鈦合金在溫度為720～950℃，初始應(yīng)變速率為6.7×10-5～3.3×10-1s-1時(shí)的超塑性拉伸行為和變形機(jī)制。結(jié)果表明：TC18鈦合金在最佳超塑性變形條件下(890℃，3.3×10-4s-1)，最大伸長率為470%，峰值應(yīng)力為17.93MPa，晶粒大小均勻。在相變點(diǎn)Tβ(872℃)以下拉伸，伸長率先升高后下降，在溫度為830℃，初始應(yīng)變速率為3.3×10-4s-1時(shí)取得極大值373%，峰值應(yīng)力為31.45MPa。TC18鈦合金在兩相區(qū)的超塑性變形機(jī)制為晶粒轉(zhuǎn)動與晶界滑移，變形協(xié)調(diào)機(jī)制為晶內(nèi)位錯(cuò)滑移與攀移；在單相區(qū)的超塑性變形機(jī)制為晶內(nèi)位錯(cuò)運(yùn)動，變形協(xié)調(diào)機(jī)制為動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶。

TC18鈦合金；超塑性；顯微組織；變形機(jī)制

TC18鈦合金是一種高合金化、高強(qiáng)度近β型鈦合金，其名義成分為Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，是退火狀態(tài)下強(qiáng)度最高的鈦合金[1]，具有高強(qiáng)度、高塑性、淬透性好和焊接性好等優(yōu)點(diǎn)，可用于制造高負(fù)載承力航空結(jié)構(gòu)件[2]。但鈦合金熱變形溫度范圍窄，變形抗力大，采用普通成形方式難以成形復(fù)雜的精密鍛件，在超塑性狀態(tài)下卻可承受大變形而不被破壞，實(shí)現(xiàn)一次性精密成形且不需要預(yù)成形工序，可大幅節(jié)約原材料，縮短生產(chǎn)周期，為難變形材料的塑性加工開辟了良好的途徑，這一變形行為已引起了廣大學(xué)者的關(guān)注[3-5]。

目前針對TC18鈦合金的研究主要集中在熱處理[6-8]、疲勞性能[9,10]、本構(gòu)模型[11-13]等方面，王曉燕等[6]研究了雙重退火溫度對TC18鈦合金等溫鍛件組織性能的影響，并給出了合理的退火制度；Li等[10]對激光熔化沉積TC18合金的低周疲勞行為進(jìn)行了研究，得到了低周疲勞預(yù)測表達(dá)式；梁后權(quán)等[12]研究了TC18合金的熱壓縮行為，并建立了熱變形過程中不同軟化機(jī)制適用的本構(gòu)方程。但是，對于TC18鈦合金的超塑性行為及變形機(jī)制，國內(nèi)外鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。

本工作以TC18鈦合金為研究對象，通過高溫拉伸實(shí)驗(yàn)研究其在不同溫度和初始應(yīng)變速率下的超塑性行為，確定最佳超塑性變形工藝參數(shù)，并對其變形機(jī)制進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)原材料為直徑400mm TC18鈦合金棒材，化學(xué)成分見表1，原始組織如圖1所示，可以看出為典型的等軸組織，初生α相約占29%(體積分?jǐn)?shù))，平均尺寸約為1.6μm，采用金相法測得其相變點(diǎn)為872℃。

表1 TC18合金棒材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical compositions of TC18 alloy (mass fraction/%)

圖1 TC18合金棒材原始組織Fig.1 Microstructure of the TC18 alloy bar

將實(shí)驗(yàn)用TC18合金棒材采用線切割加工成標(biāo)距尺寸為φ5mm×15mm的拉伸試樣，在CSS-1110C電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行超塑性拉伸，夾頭移動速率在0.1～300mm/min范圍內(nèi)可調(diào)，試樣在電阻爐中加熱，實(shí)驗(yàn)溫度為720～950℃，加熱和拉伸過程中試樣表面涂FR玻璃潤滑劑，試樣斷裂后立即進(jìn)行水淬，保留高溫下的組織形態(tài)，確定最佳超塑性溫度。在最佳超塑性溫度下，進(jìn)行初始應(yīng)變速率范圍為6.7×10-5～3.3×10-1s-1超塑性拉伸，超塑性指標(biāo)依據(jù)獲得的伸長率來衡量，并通過Origin8.0繪制變形過程的流動應(yīng)力-應(yīng)變曲線。拉伸完成后，將斷口附近材料切開制備試樣，金相分析在OLYMPUS-PMG3光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行，TEM分析在Tecnai G2 F30透射電鏡上進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 拉伸溫度與變形速率對超塑性行為的影響

圖2為TC18合金超塑性拉伸試樣的宏觀照片，可以看出，TC18合金在實(shí)驗(yàn)條件下均表現(xiàn)出超塑性，伸長率變化范圍為167%～470%。在相變點(diǎn)以下拉伸時(shí)，伸長率隨溫度的增加先升后降，830℃時(shí)伸長率取得極大值373%，峰值應(yīng)力為31.45MPa；在相變點(diǎn)以上拉伸時(shí)，伸長率也隨溫度的增加先升后降，890℃時(shí)獲得最佳伸長率470%，在較高溫度950℃仍具有333%的伸長率，表明TC18合金具有良好的超塑性和較寬的超塑性加工溫度范圍(230℃以上)，并在相變點(diǎn)上下各有一個(gè)伸長率峰值，這與陳緹縈等[14]建立的TC18合金熱加工圖結(jié)果相符。在最佳超塑性變形溫度890℃進(jìn)行拉伸時(shí)，隨初始應(yīng)變速率升高，伸長率先升高后降低，初始應(yīng)變速率為3.3×10-4s-1時(shí)，伸長率為470%。

圖3為TC18合金在不同變形條件下得到的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。如圖3(a)所示，低于相變點(diǎn)溫度進(jìn)行超塑性拉伸時(shí)，流動應(yīng)力先急劇增加，達(dá)到峰值后又顯著降低，這主要是由于變形初期位錯(cuò)源開動引起位錯(cuò)的增殖造成的，應(yīng)力達(dá)到最大值后很快下降，變形進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)定變形階段，在此階段中，細(xì)頸擴(kuò)散、轉(zhuǎn)移直至某一部位的細(xì)頸極度發(fā)展而停止轉(zhuǎn)移為止，超塑性拉伸獲得大的伸長率，主要是在準(zhǔn)穩(wěn)定階段獲得的。

圖2 不同溫度(a)和不同初始應(yīng)變速率(b)條件下超塑性拉伸試樣的宏觀照片F(xiàn)ig.2 Photographs of the samples deformed at different temperatures (a) and initial strain rates (b)

由圖3(b)可見，高于相變點(diǎn)溫度進(jìn)行超塑性拉伸時(shí)，隨變形溫度的升高，峰值應(yīng)力基本保持不變，變形初期，應(yīng)變硬化明顯，硬化速率較高，當(dāng)ε<0.5時(shí)，普遍表現(xiàn)出短暫的持續(xù)應(yīng)變硬化行為，可能對應(yīng)于穩(wěn)定的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)及亞晶界的形成過程，然后由動態(tài)再結(jié)晶引起逐步軟化，當(dāng)縮頸引起的幾何軟化占主導(dǎo)地位時(shí)，試樣趨于斷裂。890℃拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線后半部分呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流動特點(diǎn)，即很長的應(yīng)變硬化和動態(tài)軟化平衡階段，這種長時(shí)間的平衡使得TC18鈦合金在晶粒長大狀態(tài)下獲得最大伸長率470%。

圖3 TC18合金在不同變形條件下的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線 (a)相變點(diǎn)以下不同溫度；(b)相變點(diǎn)以上不同溫度；(c)不同初始應(yīng)變速率Fig.3 True stress-strain curves of TC18 alloy under different deformation conditions(a)different temperatures below Tβ;(b)different temperatures above Tβ;(c)different initial strain rates

圖4為TC18合金伸長率和峰值應(yīng)力與變形條件的關(guān)系。由圖4(a)可看出，在相變點(diǎn)以下進(jìn)行拉伸，伸長率隨溫度增加先升后降，這是因?yàn)闇囟鹊纳呓档土伺R界切應(yīng)力并提高了原子的自由能，峰值應(yīng)力減小，促進(jìn)位錯(cuò)的運(yùn)動、晶界的滑移和原子的擴(kuò)散蠕變，導(dǎo)致塑性增加；當(dāng)拉伸溫度接近相變點(diǎn)時(shí)，α相明顯減少，對β相的“釘扎”作用減弱，同時(shí)β晶界軟化，結(jié)合力下降，導(dǎo)致β晶?？焖匍L大，超塑性能下降，伸長率降低。在相變點(diǎn)以上進(jìn)行拉伸，TC18合金超塑性能隨溫度增加先升高后降低，且不同溫度的峰值應(yīng)力相差很小，基本保持不變，890℃時(shí)出現(xiàn)最大伸長率470%，高于(α+β)兩相區(qū)伸長率，根據(jù)胡靜等[15,16]提出的連續(xù)動態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶模型來解釋金屬間化合物大晶粒超塑性現(xiàn)象，可以推斷具有最佳超塑性的原因可能是熱變形形成的較大的等軸β晶粒在超塑性變形中不斷細(xì)化，隨變形量增大，形成的亞晶界不斷吸收位錯(cuò)，從而演變成小角度和大角度晶界。由圖4(a)還可以看出TC18合金在不同溫度下的伸長率變化很大，這說明TC18合金的超塑性能對溫度較為敏感。峰值應(yīng)力隨溫度的增加不斷減小，在最佳超塑性變形溫度890℃時(shí)，其值僅為17.93MPa。

由圖4(b)可見，890℃時(shí)，TC18合金在實(shí)驗(yàn)應(yīng)變速率下均表現(xiàn)出超塑性，隨應(yīng)變速率的增大，伸長率先增大后減小，最佳初始應(yīng)變速率為3.3×10-4s-1，伸長率可達(dá)470%，這是因?yàn)閼?yīng)變速率過小時(shí)，變形時(shí)間長，晶粒長大嚴(yán)重，塑性急劇下降；應(yīng)變速率過大時(shí)，變形時(shí)間短，動態(tài)回復(fù)與動態(tài)再結(jié)晶來不及進(jìn)行，加工硬化明顯，引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，合金延展性降低，結(jié)合圖3分析得出，大于最佳初始應(yīng)變速率進(jìn)行變形時(shí)，應(yīng)變速率越大，其伸長率越低，變形過程中穩(wěn)態(tài)流變階段越短，后期軟化速率越快，不利于均勻變形，導(dǎo)致材料失穩(wěn)過快，合金伸長率下降。由圖4(b)還可以看出，TC18合金伸長率在不同應(yīng)變速率下變化很大，說明TC18合金超塑性能對應(yīng)變速率較為敏感；隨應(yīng)變速率增加，峰值應(yīng)力逐漸增大，應(yīng)變速率為3.3×10-1s-1時(shí)，合金的峰值應(yīng)力達(dá)到115.83MPa。

2.2 顯微組織演化

圖4 TC18合金伸長率和峰值應(yīng)力與變形條件的關(guān)系 (a)不同溫度；(b)不同初始應(yīng)變速率Fig.4 Relationships between elongation，the peak stress and deformation conditions (a)different temperatures；(b)different initial strain rates

圖5 TC18合金在0=3.3×10-4s-1、溫度為720～870℃時(shí)超塑性拉伸斷口的顯微組織照片 (a)720℃；(b)790℃；(c)830℃；(d)870℃Fig.5 Microstructure images of the fracture section of TC18 alloy deformed at 0=3.3×10-4s-1 and 720-870℃(a)720℃；(b)790℃；(c)830℃；(d)870℃

圖6 TC18合金在溫度為870～950℃時(shí)超塑性拉伸斷口的顯微組織照片 (a)870℃；(b)890℃；(c)925℃；(d)950℃Fig.6 Microstructure images of the fracture section of TC18 alloy deformed at ℃(a)870℃；(b)890℃；(c)925℃；(d)950℃

2.3 超塑性變形機(jī)制

圖7 TC18合金在不同溫度超塑性變形后的TEM照片 (a)720℃；(b)750℃；(c)870℃；(d)890℃Fig.7 TEM images of TC18 alloy deformed at and different temperatures (a)720℃；(b)750℃；(c)870℃；(d)890℃

3 結(jié)論

(1)TC18合金在720～950℃和6.7×10-5～3.3×10-1s-1初始應(yīng)變速率范圍內(nèi)均具有超塑性，伸長率在167%～470%之間變化，最佳初始應(yīng)變速率為3.3×10-4s-1，相變點(diǎn)以下最佳超塑性變形溫度為830℃，伸長率為373%，峰值應(yīng)力為31.45MPa；相變點(diǎn)以上最佳超塑性變形溫度為890℃，伸長率可達(dá)470%，峰值應(yīng)力僅為17.93MPa。

(2)TC18合金超塑性對變形參數(shù)較為敏感。在相變點(diǎn)以下進(jìn)行超塑性拉伸時(shí)，隨溫度的升高，伸長率先增大后減小，α相體積分?jǐn)?shù)逐漸減少，尺寸基本保持不變；在相變點(diǎn)以上進(jìn)行超塑性拉伸時(shí)，伸長率隨溫度升高先增大后減小，超塑性能稍高于兩相區(qū)，表現(xiàn)出大晶粒超塑性現(xiàn)象；在最佳超塑性變形溫度890℃進(jìn)行拉伸時(shí)，隨初始應(yīng)變速率的增加，伸長率先升高后降低，峰值應(yīng)力逐漸增大。

(3)TC18合金在兩相區(qū)的超塑性變形機(jī)制為晶粒轉(zhuǎn)動與晶界滑移，晶內(nèi)位錯(cuò)滑移與攀移為變形協(xié)調(diào)機(jī)制；在單相區(qū)的超塑性變形機(jī)制為晶內(nèi)位錯(cuò)運(yùn)動，動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶為變形協(xié)調(diào)機(jī)制。

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(本文責(zé)編：寇鳳梅)

Superplastic Behavior and Deformation Mechanism of TC18 Titanium Alloy

DIAO Zhong-chi1,2,YAO Ze-kun1,2,SHEN Jing-yuan1,2,LIU Rui1,2,GUO Hong-zhen1,2

(1 School of Materials Science and Engineering,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China;2 ERC of Forging Technique for Less Deformable Materials,Xi’an 710072,China)

Superplastic tensile behavior and deformation mechanism of TC18 titanium alloy were investigated by high temperature tensile test at 720-950℃ with initial strain rates of 6.7×10-5s-1-3.3×10-1s-1．The results show that under the optimal superplastic deformation condition (890℃ and 3.3×10-4s-1)，the maximum elongation is 470%, the peak stress is 17.93MPa and with uniform grain size．Below the phase transusTβ，the elongation firstly increases and then decreases．A maximum elongation of 373% is obtained at 830℃ and with initial strain rate of 3.3×10-4s-1and the peak stress is 31.45MPa．The superplastic deformation mechanism of the TC18 titanium alloy in two-phase region is mainly grain rotation and boundary sliding，and the deformation coordination mechanism is dislocation slipping and climbing; the superplastic deformation mechanism in single phase region is intragranular dislocation motion and the deformation coordination mechanism is dynamic recovery and dynamic recrystallization．

TC18 titanium alloy;superplasticity;microstructure;deformation mechanism

2015-12-26；

2017-02-09

姚澤坤(1952-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事宇航材料熱成形理論、工藝及組織性能控制、等溫近凈成形技術(shù)、雙合金構(gòu)件的成形技術(shù)等研究，聯(lián)系地址：陜西省西安市碑林區(qū)友誼西路127號西北工業(yè)大學(xué)公字樓(710072)，E-mail:yzekun@nwpu.edu.cn

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001562

TG146.2+3

A

1001-4381(2017)05-0080-06