航空用TA15合金的熱加工圖

楊立新 張 旸 陳 雷 孫朝遠 莫安軍 郭曉敏 張啟飛

(1.沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司，遼寧110034；2.海軍駐沈陽地區(qū)航空軍事代表室，遼寧110000；3.中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責任公司，四川618000；4.燕山大學機械工程學院，河北066004)

TA15鈦合金是一種高鋁當量的近α型鈦合金，具有較高的比強度、抗蠕變性和耐腐蝕性以及良好的焊接性能，被廣泛用于制造高性能飛機的重要構件[1-2]。用其制造的航空結構件主要通過熱模鍛成形，在其成形(變形)過程中，成形工藝參數(shù)如變形溫度、壓下速度以及壓下量不僅決定了模鍛件的成形載荷，而且也對其組織與性能產(chǎn)生明顯的影響。TA15大型鈦合金模鍛件在鍛造過程中由于其鍛造窗口小，易出現(xiàn)組織不均勻、空洞、裂紋等缺陷[3]，因此獲得TA15鈦合金在變形過程中最佳工藝參數(shù)區(qū)間，是保證其制造的大型航空模鍛件成形質(zhì)量的關鍵。

熱加工圖是確定不同材料安全鍛造加工的重要方法之一，通過熱加工圖可以有效的分析和預測不同變形條件下的變形機制與變形特點，并已經(jīng)在高溫合金、鋁合金、鈦合金等主要航空材料的熱成形領域得到了廣泛的應用[4]。本文通過進行TA15鈦合金的高溫壓縮試驗，對不同工藝參數(shù)下合金的流變應力進行了分析和計算，基于動態(tài)材料模型，建立了TA15鈦合金的熱加工圖，同時揭示了不同變形條件下顯微組織的演變規(guī)律，提出了TA15鈦合金具有良好熱加工工藝性能的變形參數(shù)區(qū)間，從而為制定合理的TA15鈦合金熱加工工藝、提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量提供重要依據(jù)。

1 實驗材料與方法

實驗材料為中國二重萬航公司提供的TA15鈦合金棒材，其名義成分為Ti6Al2Zr1Mo1V，合金的相變點約為995℃，其原始組織如圖1所示。原始組織為鈦合金典型的等軸組織，即由大量的初生等軸α相、次生粗片層α相以及殘余β相組成。其中初生等軸α相尺寸約為18 μm，次生片層厚度約為2.2 μm。

在坯料棒材上切取?10 mm×15 mm的熱壓縮用圓柱試樣。熱壓縮試驗在Gleeble-3800熱/力模擬試驗機上進行，試樣以10℃/s的加熱速度加熱到變形溫度，保溫5 min后進行等溫變形。變形溫度為：850℃、900℃、930℃、960℃、980℃、1020℃、1040℃，應變速率為0.01 s-1、0.1 s-1、1s-1，壓下量為60%。變形之后立即進行水淬。將壓縮后的試樣中間切開進行磨拋后，采用化學腐蝕法對變形試樣進行腐蝕后觀察心部組織，腐蝕劑為HF∶HNO3∶H2O=1∶6∶7的混合溶液。

圖1 TA15鈦合金原始組織Figure 1 Initial microstructure of TA15 titanium alloy

圖2 不同變形條件下TA15鈦合金應力-應變曲線Figure 2 Flow stress-strain curves of TA15 titanium alloy under different deformation conditions

2 實驗結果與分析

2.1 流變曲線

TA15鈦合金在不同熱變形條件下典型的真實應力-真應變曲線如圖2所示。由圖2可知，變形初期合金的流變應力隨應變量的增大而迅速增大，這是由于在此過程中合金發(fā)生了加工硬化。在相同應變速率下，隨著溫度升高變形抗力降低，應力“穩(wěn)態(tài)平臺”變長，即有助于加工硬化和動態(tài)軟化達到平衡。在相同變形溫度下，合金變形前的初始組織狀態(tài)對流變應力存有明顯影響。在雙相區(qū)(850～980℃)變形時，合金的動態(tài)軟化較明顯，流變曲線呈典型的再結晶型曲線；且隨著應變速率的降低，“穩(wěn)態(tài)平臺”變長。但在單相區(qū)(1020～1040℃)變形時，流變曲線呈典型的回復型曲線；流變應力在達到峰值應力后，沒有發(fā)生明顯的軟化，始終保持加工硬化和動態(tài)軟化的平衡。

2.2 熱加工圖

熱加工圖是基于動態(tài)材料模型建立的可揭示不同變形條件下(變形量、變形溫度、應變速率)材料顯微組織的演變規(guī)律，同時可對其可加工性進行評估。通過將建立的能量耗散率圖和失穩(wěn)圖疊加可建立熱加工圖，其中，能量耗散效率和失穩(wěn)參數(shù)可以由流變應力計算得到。

在動態(tài)材料模型[2]中，熱加工材料被視為一個非線性的能量耗散體。根據(jù)耗散結構理論，輸入系統(tǒng)的能量P，一部分為塑性變形所消耗的能量G，另一部分為材料變形過程中組織變化所消耗的能量J。兩部分能量之間具有一定的比例關系，由材料的應變速率敏感因子m決定。由式(1)和流變應力計算得到能量耗散效率η。

(1)

m是材料的應變速率敏感因子。η是一個無量綱參數(shù)，其物理意義為用于組織變化能量的耗散效率，其取決于溫度、應變和應變速率，該參數(shù)在某種程度上映射了在一定的變形溫度和應變速率下材料顯微組織的變化機制。

Prasad等[10]根據(jù)不可逆力學極值原理，得到大塑性變形時的材料流變連續(xù)失穩(wěn)的判據(jù)：

表1 應變0.9時TA15合金不同熱變形條件下應變速率敏感因子m和能量耗散效率ηTable 1 Strain rate sensitive factor m and energy dissipation efficiency η of TA15 alloy at various thermal deformation terms when strain is 0.9

圖3 TA15鈦合金不同應變下的熱加工圖Figure 3 Hot processing maps of TA15 titanium alloy at different strain

圖4 TA15合金不同熱變形參數(shù)下的金相顯微組織Figure 4 Metallographic microstructures of TA15 alloy under different thermal deformation parameters

(2)

由圖3可知，在雙相區(qū)變形時，隨著溫度的升高，應變速率的降低，能量消耗效率η逐漸增加，且在940～970℃溫度范圍，應變速率為0.01 s-1時達到峰值，約為0.48。而在單相區(qū)變形時，在小應變(ε=0.1)下，變形溫度越高，應變速率越高，η值越高(見圖3a)。而在較大應變(ε=0.5、ε=0.9)下，隨變形溫度升高和應變速率的降低，η值增加(見圖3b、圖3c)。另一方面，在較小應變(ε=0.1)下，存在兩個失穩(wěn)區(qū)域，分別為：850～895℃，0.039～1 s-1區(qū)域；950～965℃，0.79～1 s-1區(qū)域，失穩(wěn)區(qū)η值均在0.29以下(見圖3a)。隨著應變的增加(ε=0.5、ε=0.9)，在950～965℃范圍內(nèi)的失穩(wěn)區(qū)消失，這主要與隨著應變的增加，在雙相區(qū)較高溫度范圍內(nèi)的動態(tài)軟化越來越充分，使得變形失穩(wěn)現(xiàn)象得到改善，因此僅表現(xiàn)出在850～900℃、0.039～1 s-1范圍內(nèi)的失穩(wěn)區(qū)。

2.3 顯微組織分析

圖4為TA15合金應變?yōu)?.9時不同熱變形參數(shù)下的金相顯微組織。由圖4可知，在應變速率為1 s-1的變形條件下，850℃變形時，初生α相被沿著變形方向拉長或壓扁(見圖4a)；升高變形溫度至930℃，大部分壓扁的初生α相發(fā)生再結晶，演變成球狀等軸晶粒(見圖4b)；當變形溫度為960℃時，球化的初生α相含量進一步增加，但仍有少部分變形的初生α相?？梢姡p相區(qū)變形時，在相同應變速率下，隨著溫度的升高，初生α相再結晶程度增加。這也是η值隨溫度增加而增加的主要原因。在雙相區(qū)較低變形溫度(850℃)下，與應變速率為1 s-1時相比，降低應變速率至0.01 s-1，球化后初生α相含量也增加(見圖4d)；在960℃，0.01 s-1條件下變形，少見變形初生α相，基本都是等軸的α晶粒(見圖4e)，說明該條件下初生α相的再結晶程度高，在熱加工圖中表現(xiàn)出了η峰值。當在單相區(qū)變形時，較慢的應變速率有助于β相的回復與再結晶，從圖4f中可見，變形后β晶粒表現(xiàn)為等軸狀，少見壓扁的晶粒組織，說明其動態(tài)組織演變充分，但值得注意的是，在慢應變速率下，如果變形溫度過高，將導致明顯的晶粒粗化，而對合金的力學性能產(chǎn)生不利影響。

通常情況下，TA15鈦合金航空模鍛件在α+β雙相區(qū)進行，結合熱加工圖與組織分析可知，該合金在940～970℃，0.01 s-1條件下變形時，具有良好的熱加工工藝性能。

3 結論

(1)TA15鈦合金在α+β雙相區(qū)的流變曲線呈典型動態(tài)再結晶曲線，而在β單相區(qū)則表現(xiàn)出回復型曲線特征。提高變形溫度，降低應變速率，有助于TA15鈦合金的動態(tài)軟化。

(2)建立了TA15鈦合金的熱加工圖。在較小應變下，合金表現(xiàn)出兩個失穩(wěn)區(qū)：850～895℃、0.039～1 s-1和950～965℃、0.79～1 s-1。增加應變，有助于動態(tài)軟化的發(fā)生，縮小變形失穩(wěn)區(qū)。在較大應變(ε=0.9)下，能量耗散效率η在雙相區(qū)940～970℃、0.01 s-1變形條件下時達到峰值，約為0.48，此時，合金初生α相發(fā)生了充分的動態(tài)再結晶；在β單相區(qū)，η隨溫度的升高以及應變速率的減低而增大。

(3)TA15鈦合金模鍛件在α+β雙相區(qū)成形時，宜選擇的熱加工工藝條件為：940～970℃，0.01 s-1。