TC25鈦合金的熱變形行為及熱加工圖

朱紅，蔡鋼

1.貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程系 貴州貴陽 550008

2.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院 廣東廣州 511434

1 序言

TC25合金是20世紀(jì)70年代初期蘇聯(lián)研制成功的典型α+β型馬氏體熱強(qiáng)鈦合金，名義成分為：Ti-6.5Al-2Zr-2Sn-2Mo-1W-0.2Si[1]。TC25鈦合金能在500～550℃內(nèi)長時間工作，是航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)盤、機(jī)匣等結(jié)構(gòu)的理想材料之一。在合適的鍛造變形條件和熱處理制度下可以獲得理想的綜合力學(xué)性能[2，3]。

熱加工圖是用于研究金屬高溫變形行為的有效方法，能反映金屬在高溫狀態(tài)下變形過程中組織演化與變形參數(shù)之間的關(guān)系。同時，還能反映金屬在塑性加工過程中的安全區(qū)域和危險區(qū)域。但是在熱變形過程中，變形可能會引起試樣溫度的變化，從而使合金流變應(yīng)力發(fā)生變化，不能獲得準(zhǔn)確的本構(gòu)方程和熱加工圖，因此需要對變形溫度進(jìn)行修正。利用合金的熱加工圖，可以優(yōu)化合金的熱加工參數(shù)，從而對改善合金的加工性能、調(diào)控顯微組織、避免缺陷的產(chǎn)生均具有重要的指導(dǎo)意義，目前已廣泛應(yīng)用于鈦合金、鋁合金和鋼鐵材料的熱加工生產(chǎn)指導(dǎo)中[4-6]。

本文以TC25鈦合金為研究對象，對其進(jìn)行高溫?zé)釅嚎s試驗，通過試驗數(shù)據(jù)繪制真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，研究其熱變形行為，并對高應(yīng)變速率條件下的變形溫度進(jìn)行修正，建立了該合金在變形溫度未修正和修正后的熱加工圖，以期為TC25合金的熱加工工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

2 試驗材料與方法

試驗所用材料為某企業(yè)提供的直徑25mm的TC25鈦合金棒材，通過膨脹法測量得到合金的相變點(diǎn)為1029℃±5℃。圖1所示為TC25鈦合金試樣的原始組織，呈典型的雙態(tài)組織，白色等軸狀的α相均勻地分布在β轉(zhuǎn)變組織上。通過電火花線切割方式從合金棒材上切取φ5mm×10mm的熱模擬試樣若干，并用金相砂紙將表面磨至光亮。然后在德國巴赫的DIL 805 A/D 高溫相變/熱模擬儀上進(jìn)行熱模擬壓縮試驗，儀器的控溫精度±0.1℃。試驗變形溫度為950℃、980℃、1010℃、1040℃、1070℃、1100℃，應(yīng)變速率為0.001s-1、0.01s-1、0.1s-1、1s-1和10s-1，變形量為50%。具體加熱方式如下：以加熱速率為300℃/min將試樣加熱至變形溫度，保溫6min后進(jìn)行變形，變形后以冷卻速率為150℃/s冷至室溫。為減少試樣兩端的摩擦影響，在試樣兩端墊上鉭片。試樣溫度由焊接在樣品上的熱電偶實時反饋給計算機(jī)。

圖1 TC25合金的原始組織

3 結(jié)果與討論

3.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

圖2所示為TC25鈦合金在950℃、1010℃、1070℃時不同應(yīng)變速率條件下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。由圖2可以看出，在變形溫度恒定的條件下，合金的流變應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的增加而顯著增大。在相同應(yīng)變速率條件下，隨著合金變形溫度的升高，合金的流變應(yīng)力逐漸降低。所有試樣在變形初期，合金的流變應(yīng)力隨應(yīng)變量的增加而迅速上升，呈近似垂直直線關(guān)系，這主要由于位錯密度的快速增加所致[7]。但隨著合金形變量的增大，不同條件下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的變化趨勢不盡相同。當(dāng)變形溫度為950～1010℃、應(yīng)變速率為0.001s-1時，合金的流變應(yīng)力隨著應(yīng)變量增大而緩慢上升，未出現(xiàn)流變應(yīng)力峰值，呈穩(wěn)態(tài)流變特征；應(yīng)變速率在0.01～1s-1的條件下，隨著應(yīng)變量的增加，流變應(yīng)力迅速增加到峰值后出現(xiàn)突降，再緩慢上升，最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)流變階段。有研究表明，在該過程中發(fā)生了動態(tài)回復(fù)、動態(tài)再結(jié)晶[7]。當(dāng)應(yīng)變速率為10s-1時，隨應(yīng)變量增加，流變應(yīng)力先快速上升，然后再緩慢增加，在真應(yīng)變量為0.3左右時達(dá)到峰值后開始降低，研究表明該現(xiàn)象歸因于變形熱效率、動態(tài)再結(jié)晶和超塑性等[8，9]。

圖2 TC25鈦合金在不同變形溫度下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

3.2 高應(yīng)變速率下的絕熱升溫現(xiàn)象

圖3所示為TC25鈦合金在變形溫度為950℃和1100℃、應(yīng)變速率為0.001s-1和10s-1時，真應(yīng)力、真應(yīng)變和試樣實際溫度之間的關(guān)系。從圖3可以看出，當(dāng)合金在應(yīng)變速率為0.001s-1時，試樣實際溫度與預(yù)設(shè)變形溫度基本相同，說明在變形過程中，試樣的溫度幾乎沒有發(fā)生變化，合金的流變應(yīng)力也基本保持不變，壓縮過程在等溫條件下完成。這意味著合金在應(yīng)變速率較低的情況下，變形所產(chǎn)生的溫度散失到壓頭或周圍環(huán)境中，沒有使試樣的溫度上升。而當(dāng)應(yīng)變速率為10s-1時，試樣實際溫度隨著應(yīng)變量增大而明顯上升，如圖中虛線所示。這是因為TC25合金在高應(yīng)變速率下進(jìn)行變形，變形時間短，變形產(chǎn)生的大量熱量來不及散失，導(dǎo)致試樣溫度明顯升高，最后使合金的流變應(yīng)力下降[10]。

從圖3還可以看出，當(dāng)合金在950℃變形時，試樣變形導(dǎo)致的升溫最高約為28℃；而1100℃時，試樣的變形導(dǎo)致的升溫最高約為10.5℃，并且合金在變形溫度為950℃的流變應(yīng)力下降速率明顯高于1100℃時的速率，與試樣實際溫度升高速率之間有著良好對應(yīng)關(guān)系。這說明合金在相同應(yīng)變速率條件下，變形溫度越低，絕熱升溫現(xiàn)象越明顯。因此，在高應(yīng)變速率條件下，TC25鈦合金等溫壓縮形變產(chǎn)生的變形升溫現(xiàn)象對真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線影響較大，因此有必要對其變形溫度進(jìn)行修正。

圖3 TC25合金在不同溫度下真應(yīng)變－真應(yīng)力和實際測量溫度之間的關(guān)系曲線

3.3 高應(yīng)變速率下溫度修正及流變應(yīng)力曲線

為了建立精準(zhǔn)的TC25鈦合金的熱加工圖，對高應(yīng)變速率條件下的溫度進(jìn)行修正。在本試驗中，當(dāng)應(yīng)變速率較小時，絕熱升溫現(xiàn)象不明顯，因此只對高應(yīng)變速率條件下（10s-1）的變形溫度進(jìn)行修正。修正時，假定試樣在變形過程中升溫是均勻的，而且合金的比熱容c和密度ρ不隨溫度變化，由相關(guān)文獻(xiàn)[11]可知，試樣的變形升溫ΔT可用式（1）表示，即

式中 ΔT——變形升溫（℃）；

ε——應(yīng)變量；

σ——流變應(yīng)力（MPa）；

η——絕熱因子；

ρ——合金的密度（kg/cm3）；

c——比熱容[J/（kg·K）]。

由相關(guān)文獻(xiàn)[12]可知，應(yīng)變速率為10s-1時，絕熱因子η=1。

根據(jù)式（1），可以計算出TC25鈦合金在應(yīng)變速率10s-1條件下，不同預(yù)設(shè)變形溫度時的絕熱升溫與真應(yīng)變量之間的關(guān)系圖，如圖4所示。由圖4可以看出，各預(yù)設(shè)變形溫度下的變形導(dǎo)致的溫度升高規(guī)律基本相同，隨著變形量增加呈線性升高，并且在相同應(yīng)變量下，隨著預(yù)設(shè)變形溫度的降低，變形導(dǎo)致的溫升ΔT越大，變化趨勢與實際溫度監(jiān)測的一致。變形溫升ΔT引起的流變應(yīng)力下降，其應(yīng)力下降幅度Δσ可用式（2）表示[13]，即

圖4 TC25合金在不同變形條件下的變形升溫效應(yīng)

式中 Δσ——應(yīng)力下降幅度；

σ——試驗獲得的流變應(yīng)力（MPa）；

T——實際變形溫度（℃）；

Tn——預(yù)設(shè)的變形溫度（℃）。

由式（2）可以得到經(jīng)過溫度修正后高應(yīng)變速率條件下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，如圖5所示。由圖可以看出，修正后的流變應(yīng)力比未修正的明顯增大，而且變形溫度越低，修正后的流變應(yīng)力增加也越明顯，這與前面的變形溫升ΔT的變化保持一致。在應(yīng)變速率為10s-1條件下等溫壓縮，流變應(yīng)力迅速增加，然后流變應(yīng)力再緩慢增加，在應(yīng)變量＞0.3后流變應(yīng)力才趨于平穩(wěn)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)變形階段。

圖5 TC25鈦合金修正后的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

3.4 熱加工圖

圖6a和圖6b所示分別為TC25鈦合金在真應(yīng)變量為0.5時，未修正變形溫度和修正后的熱加工圖。由圖可以看出，熱加工圖由加工失穩(wěn)區(qū)（陰影部分）和加工安全區(qū)構(gòu)成。隨著變形過程中應(yīng)變速率的增加，功率耗散系數(shù)有下降趨勢。加工安全區(qū)的功率耗散系數(shù)值η值＞30%，功率耗散系數(shù)值較大的區(qū)域集中在變形溫度為1000～1100℃、應(yīng)變速率為0.001～0.01s-1區(qū)域。由圖6b可以看出，修正變形溫度后的熱加工圖中流變失穩(wěn)區(qū)比未修正的減小了很多，可以表明變形過程中的絕熱升溫效應(yīng)對熱加工圖的影響較大。對于傳熱系數(shù)較小的鈦合金來說，要獲得準(zhǔn)確的等溫、恒應(yīng)變速率下的熱加工圖，就必須對變形溫度進(jìn)行修正，這對工藝參數(shù)優(yōu)化更有指導(dǎo)意義。

圖6 TC25鈦合金在應(yīng)變量為0.5時的加工圖

4 結(jié)束語

1）TC25鈦合金在高溫?zé)釅嚎s過程中，流變應(yīng)力隨著變形溫度升高和應(yīng)變速率下降而減小。

2）TC25鈦合金在高應(yīng)變速率條件下變形時，絕熱效應(yīng)導(dǎo)致溫升更加顯著。在變形速率恒定條件下，變形溫度越低，絕熱升溫現(xiàn)象越明顯。

3）TC25鈦合金最佳高溫變形工藝參數(shù)：變形溫度為1000～1100℃、應(yīng)變速率為0.001～0.01s-1。