TC17鈦合金的熱壓縮變形行為研究

董軼，李巍，周陽(yáng)洋，張雪敏，劉繼雄，屠孝斌，王少陽(yáng)

（1、寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014；2.寶鈦集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721014）

關(guān)鍵字：TC17；熱壓縮；流變應(yīng)力

1 前言

TC17鈦合金是一種近β型鈦合金，其名義成分為T(mén)i-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）。其中Al、Sn與Zr元素可強(qiáng)化α相，從而改善其蠕變抗力，并且緩和β相的時(shí)效特征；Mo和Cr元素可確保大截面的熱處理和淬透性，因此TC17鈦合金具有良好中溫強(qiáng)度，淬透性、疲勞和斷裂韌性方面達(dá)到平衡，并且具有較好的綜合性能，在各類(lèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇和壓氣機(jī)盤(pán)件上得到廣泛的應(yīng)用。目前科研人員采用熱模擬技術(shù)研究鈦合金熱變形行為和組織演變規(guī)律已成為當(dāng)今鈦合金研究的熱點(diǎn)。曾衛(wèi)東等研究了TC17鈦合金熱變形的本構(gòu)方程和加工圖[1-3]。

2 試驗(yàn)用材及方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用寶雞鈦業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的，經(jīng)真空自耗電弧爐三次熔煉而成的TC17鈦合金鑄錠（Φ796），主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）如表1所示。鑄錠經(jīng)β相區(qū)和α+β兩相區(qū)多火次鍛造至Φ350mm棒材，其顯微組織如圖1所示，主要由初生等軸α相和β轉(zhuǎn)變組織組成，α相尺寸小于10μm。經(jīng)金相法測(cè)得α+β/β相轉(zhuǎn)變溫度為900℃。

2.2 試驗(yàn)方法

在TC17鈦合金棒材上獲取尺寸為Φ10mm×15mm的試樣，試樣的軸向?yàn)榘舨牡目v向方向。在Gleeble-3800型熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在試樣兩端涂上鎳基復(fù)合粘結(jié)劑并附上石墨片，從而減小設(shè)備壓頭與試樣表面的摩擦力。將試樣加熱（升溫速率為10℃·S-1）至應(yīng)變溫度后，保溫5min后進(jìn)行等溫恒應(yīng)變速率熱壓縮試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均由熱模擬試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)采集。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇如下：

（1）變形溫度：810℃、840℃、870℃、900℃、930℃

（2）應(yīng)變速率 ：10-2S-1、10-1S-1、100S-1、101S-1

（3）變形量：20%、40%、50%、60%、

當(dāng)熱壓縮變形量達(dá)到一定程度后立刻水淬，保持高溫變形時(shí)的組織形態(tài)。采用線(xiàn)切割將變形后的試樣延軸向切開(kāi)進(jìn)行顯微組織研究。金相試樣經(jīng)磨制拋光后采用HF、HNO3、H2O混合液進(jìn)行腐蝕，在OLYMPUS GX71型金相顯微鏡上觀(guān)察組織。

表1 鑄錠化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)

圖1 TC17棒材原始顯微組織（500X）

3 實(shí)驗(yàn)分析與討論

3.1 相同溫度與速率下，不同變形量的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)及顯微組織

圖2為相同試驗(yàn)溫度與應(yīng)變速率下，不同變形量試驗(yàn)的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，變形量分別為20%（真應(yīng)變0.223）、40%（真應(yīng)變0.51）與60%（真應(yīng)變0.916）時(shí)停止試驗(yàn)。由圖可知，熱壓縮過(guò)程中鈦合金的流變應(yīng)力會(huì)迅速（當(dāng)真應(yīng)變值為0.019左右）達(dá)到峰值（212MPa）之后會(huì)隨著應(yīng)變的增加而降低，當(dāng)真應(yīng)變達(dá)到0.58左右時(shí)，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力（168Mpa）基本不變。這是由于隨著變形量的增加，位錯(cuò)會(huì)迅速增殖并且相互作用從而引發(fā)加工硬化，流動(dòng)應(yīng)力快速增至最高點(diǎn)；隨著變形量的增大，合金內(nèi)部的動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程會(huì)使位錯(cuò)密度下降，真應(yīng)力值逐漸降低，最終軟化過(guò)程與加工硬化過(guò)程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，曲線(xiàn)趨于穩(wěn)定，其中軟化現(xiàn)象可能是由變形過(guò)程中的形變熱效應(yīng)和片層組織球化引起的[4-5]。因此可知變形量對(duì)于TC17鈦合金的流動(dòng)應(yīng)力曲線(xiàn)影響較小。

圖4 相同試驗(yàn)溫度與應(yīng)變速率，不同變形量的TC17鈦合金顯微組織照片(200X)

圖5 TC17鈦合金真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)(相同溫度與變形量，不同應(yīng)變速率)

圖3為不同變形量下試樣的宏觀(guān)圖片。由圖可見(jiàn)在變形量較?。?0%）的時(shí)候，試樣形態(tài)只是稍有鼓肚出現(xiàn)，并未有太大變化，而到40%與60%的時(shí)候，試樣鼓肚比較明顯，并且宏觀(guān)圖片中并未發(fā)現(xiàn)有明顯的失穩(wěn)現(xiàn)象出現(xiàn)。圖4為不同變形量下TC17試樣的顯微組織，由圖可見(jiàn)20%與40%的形貌并無(wú)太大區(qū)別，組織較為均勻，而在60%的變形量下可以看到明顯的壓縮方向與流動(dòng)方向，存在一定的失穩(wěn)區(qū)域。說(shuō)明TC17在大變形的狀態(tài)下會(huì)受到失穩(wěn)行為的影響，失穩(wěn)后會(huì)改變金屬的流動(dòng)屬性，使金屬流動(dòng)不均勻。

3.2 相同溫度與變形量下，不同應(yīng)變速率的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)及顯微組織

圖5為相同溫度與變形量下，不同應(yīng)變速率試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。由圖可見(jiàn)在相同溫度與變形量下，當(dāng)應(yīng)變速率越低，流動(dòng)應(yīng)力曲線(xiàn)會(huì)越平緩，這是由于TC17鈦合金在低應(yīng)變速率下變形時(shí)，動(dòng)態(tài)回復(fù)增強(qiáng)而動(dòng)態(tài)再結(jié)晶受到抑制，軟化過(guò)程與加工硬化過(guò)程趨于平衡，曲線(xiàn)趨于穩(wěn)定。隨著應(yīng)變速率增加，其所對(duì)應(yīng)的平均真應(yīng)力值越高，這是由于①高速率變形時(shí)，塑性變形不能充分?jǐn)U展和完成，所以更多的變形為彈性形變，彈性變形量增大，應(yīng)力值增高；②高速率變形會(huì)使得位錯(cuò)增殖率增大，位錯(cuò)的增加會(huì)使加工硬化現(xiàn)象更加明顯，真應(yīng)力值增大。

并且由圖還可以發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)變速率的提高，到達(dá)流動(dòng)應(yīng)力峰值的應(yīng)變值也在增大，這可能是因?yàn)楦咚賾?yīng)變速率下會(huì)產(chǎn)生大量摩擦，由于摩擦產(chǎn)生的大量熱量無(wú)法快速散失掉，所以導(dǎo)致心部溫度高于表面溫度，促進(jìn)了再結(jié)晶的發(fā)生，使得達(dá)到真應(yīng)力峰值的應(yīng)變值也增大。并且隨著應(yīng)變速率的增大，真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)會(huì)出現(xiàn)連續(xù)不屈服現(xiàn)象。這種應(yīng)力震蕩的不連續(xù)屈服現(xiàn)象目前有二種理論可以解釋?zhuān)篴）靜態(tài)理論，即包含位錯(cuò)的釘扎與脫釘現(xiàn)象，該理論假設(shè)位錯(cuò)被固溶原子釘扎，在一定應(yīng)力的作用下位錯(cuò)掙脫釘扎，導(dǎo)致流動(dòng)應(yīng)力突然下降；b）動(dòng)態(tài)理論，即不連續(xù)屈服與晶界突然增殖大量可動(dòng)位錯(cuò)有關(guān)；也可能在熱壓縮過(guò)程中，由于應(yīng)變速率過(guò)快導(dǎo)致變形熱不能及時(shí)傳導(dǎo)，從而發(fā)生了局域流變，當(dāng)局域流變不穩(wěn)定時(shí)，加工硬化作用較大且會(huì)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化交替作用導(dǎo)致應(yīng)力高低起伏發(fā)生波動(dòng)[6]。

由圖還可知，不同溫度下的高速率真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)均會(huì)有不屈服現(xiàn)象，這證明了TC17鈦合金流動(dòng)曲線(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象并非由于形變熱效率導(dǎo)致，可能是再結(jié)晶和固溶原子與位錯(cuò)相互作用的結(jié)果。所以可知TC17鈦合金對(duì)于應(yīng)變速率的敏感程度較高。應(yīng)變速率越低，真應(yīng)力值也低，真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)越穩(wěn)定，達(dá)到真應(yīng)力峰值的應(yīng)變則越小。圖6為相同溫度（840℃）與變形量（50%）下，不同變形速率下的試樣顯微組織，由圖可知，隨著變形速率的減小，組織也會(huì)逐漸粗化。這是由于隨著變形速率的增加，位錯(cuò)密度增加，能量增加，再結(jié)晶程度與再結(jié)晶尺寸均會(huì)增大，變形破碎的晶粒增多，而被破碎的晶粒在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法充分長(zhǎng)大，故而組織細(xì)化。這是因?yàn)樵谳^小的變形速率下，晶核形成孕育時(shí)間長(zhǎng)，晶核數(shù)量比較少，所以晶粒由充足的時(shí)間長(zhǎng)大，故而組織粗大。隨著變形速率的增加，再結(jié)晶數(shù)量增多，破碎的晶粒與再結(jié)晶晶粒不能充分長(zhǎng)大，因而晶粒細(xì)化。

3.3 相同應(yīng)變速率與變形量，不同應(yīng)變溫度下的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

圖7為相同應(yīng)變速率與變形量下，不同應(yīng)變溫度試樣的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。由圖可見(jiàn)相同應(yīng)變速率下，隨著應(yīng)變溫度升高時(shí)，鈦合金的真應(yīng)力值會(huì)下降，這是由于隨著溫度的升高，合金的熱激活作用和原子平均動(dòng)能增大，晶體產(chǎn)生滑移的臨界分切應(yīng)力降低，減少了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和晶界間滑移的阻礙，并且溫度越高，動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶更容易進(jìn)行，使位錯(cuò)密度降低，從而抵消了塑性變形引起的加工硬化，因此流動(dòng)應(yīng)力降低。當(dāng)應(yīng)變溫度位于相變點(diǎn)以下時(shí)，其真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)達(dá)到峰值后持續(xù)下降，而當(dāng)試驗(yàn)溫度位于相變點(diǎn)附近或者以上時(shí)，流動(dòng)應(yīng)力達(dá)到峰值再下降到一定數(shù)值之后，隨著應(yīng)變?cè)黾幼兓淮?，并且溫度越高，曲線(xiàn)越平緩。這說(shuō)明鈦合金內(nèi)組織發(fā)生了α+β相→β相的轉(zhuǎn)變，更多的α相（密排六方）轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪啵w心立方），由于β相層錯(cuò)能高、滑移系較多，動(dòng)態(tài)回復(fù)為其主要的軟化因素，所以動(dòng)態(tài)再結(jié)晶受到一定程度的抑制，流動(dòng)應(yīng)力下降后曲線(xiàn)趨于平緩[7]。

圖6 相同溫度與變形量，不同應(yīng)變速度的TC17鈦合金顯微組織照片(200X)

圖7 TC17鈦合金真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)(相同速率與變形量，不同應(yīng)變溫度)

圖8 相同速率與變形量，不同應(yīng)變溫度的TC17鈦合金顯微組織照片(500X)

當(dāng)應(yīng)變溫度位于相變點(diǎn)附近或者以上時(shí)，真應(yīng)變大于0.5時(shí)，真應(yīng)力會(huì)有稍小上揚(yáng)的趨勢(shì)，這可能是真應(yīng)力值在受到熱加工的影響以外，還受到了失穩(wěn)行為的影響。失穩(wěn)會(huì)改變金屬的流動(dòng)特征，會(huì)使金屬的流動(dòng)不均勻，失穩(wěn)區(qū)相對(duì)滑移變形的阻力也成了流動(dòng)應(yīng)力的一部分，導(dǎo)致變形后期真應(yīng)力的提升[8]。因此可知：TC17鈦合金對(duì)于應(yīng)變溫度的敏感程度較高，當(dāng)應(yīng)變溫度越高，真應(yīng)力值則越低，真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)越穩(wěn)定，并且達(dá)到一定變形量后真應(yīng)力會(huì)有稍小的提升。

圖8為相同變形速率與變形量下，不同應(yīng)變溫度試樣的顯微組織。由圖8可見(jiàn)應(yīng)變溫度為810℃～840℃的時(shí)候，試樣初生α含量較多，但隨著應(yīng)變溫度的增加，試樣初生α含量逐漸減少，在930℃的應(yīng)變溫度下，試樣高倍組織基本看不到初生α。

4 結(jié)論

1）當(dāng)應(yīng)變速率與變形溫度固定時(shí)，不同變形量對(duì)于TC17鈦合金的流動(dòng)應(yīng)力曲線(xiàn)影響較??；隨著變形量的增大，合金組織中的失穩(wěn)區(qū)域增多；

2）TC17鈦合金對(duì)于應(yīng)變速率的敏感程度較高，當(dāng)應(yīng)變溫度與變形量固定時(shí)，應(yīng)變速率越低，真應(yīng)力值也低，真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)越穩(wěn)定，達(dá)到真應(yīng)力峰值的應(yīng)變則越小；并且隨著應(yīng)變速率的提高，組織細(xì)化程度提高。

（3）當(dāng)應(yīng)變速率與變形量固定時(shí)，應(yīng)變溫度越高，真應(yīng)力值越低，真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)越穩(wěn)定，組織中的初生α則越少。并且達(dá)到一定變形量后真應(yīng)力會(huì)有稍小的提升。