SP700鈦合金薄板超塑性研究

朱曉翠，羅 偉，崔文俊

（1.西部鈦業(yè)有限責任公司，陜西 西安 710201；2.鈦合金加工技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，陜西 西安 710201）

SP700是一種新型的富β相的α+β型鈦合金，名義成分為：Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe［1］。它在Ti-6Al-4V鈦合金成分的基礎(chǔ)上（3／4的Ti-6Al-4V合金元素含量）添加β穩(wěn)定化元素Mo和Fe，降低了β相轉(zhuǎn)變溫度。SP700合金的β轉(zhuǎn)變溫度是1 173 K，比Ti-6Al-4V鈦合金的β轉(zhuǎn)變溫度降低100 K，其超塑成形溫度也較低，改善了合金的冷／熱加工性能，同時強化了超塑性、可淬性和抗疲勞強度等方面的性能。同時由于鋁含量的減少，其耐疲勞性和耐腐蝕性也得到提高［2］。這些優(yōu)異的機械性能與良好的可加工性、可熱處理性相結(jié)合，使該合金得到了廣泛的關(guān)注，應用范圍不斷增加。

超塑性具有延伸率大、應力小、無頸縮、易成型的特點。超塑性成形工藝比較適用于復雜形狀零件成形的精加工，一般成形后零件殘余應力小、尺寸穩(wěn)定、表面光滑美觀、且加工成本較低，被廣泛應用于航空航天、艦船和化工等領(lǐng)域［3，4］。

基于此，本文主要通過兩種超塑性試驗方法測試了厚度為2 mm的SP700鈦合金薄板超塑性，并確定了SP700鈦合金薄板達到最大超塑性時的最佳溫度和應變速率，為實際生產(chǎn)中板材超塑成型／擴散連接提供數(shù)據(jù)支持。

1 試 驗

1.1 試驗材料與設(shè)備

1.試驗材料：試驗使用的厚度為2.0 mm 的SP700鈦合金薄板由西部鈦業(yè)制造，板材是由厚度為180 mm的板坯經(jīng)過3火次換向熱軋+包覆疊軋+成品熱處理生產(chǎn)，其化學成分見表1，相變點：910～915℃，成品力學性能見表2，晶粒尺寸≤3μm，顯微組織如圖1所示。

圖1 試樣顯微組織

表1 板坯化學成分 %

表2 成品板材力學性能

2.試驗設(shè)備：采用CMT4104型號電子萬能拉伸試驗機，有效拉伸空間850 mm，力傳感器10 kN、橫梁移動速度0.001～500 mm／min。

1.2 試驗方法

分別采用恒應變速率拉伸試驗和最大m值法拉伸試驗2種試驗方法測試厚度為2.0 mm的SP700鈦合金薄板超塑性，并確定板材最大超塑性指標和最優(yōu)超塑成型溫度。具體操作方法如下：

1.試驗方法及記錄數(shù)據(jù)。到溫后裝爐，保溫10 min后進行拉伸，直至試樣拉斷為止。將試樣取出后立即水淬，以保留高溫變形組織。記錄過程中的應變速率和m值變化數(shù)據(jù)，應力、應變數(shù)據(jù)。

2.試樣前處理。涂覆抗氧化涂料前，將試樣表面進行除油清洗；然后對試樣標距段測量直徑或厚度，并記錄。使用測量后的數(shù)據(jù)輸入計算機程序。

3.試樣后處理。試樣拉斷后立即進行水淬，然后，使用電吹風機將試樣吹干，裝入試樣袋并封口，試樣袋上記錄以下主要內(nèi)容：試樣編號、試驗方法、試驗溫度、應變速率、最終延伸率。

2 試驗方案與結(jié)果

2.1 試驗方案

采用最大m值法和恒應變速率法2種方法對2.0 mm厚SP700鈦合金板材的超塑拉伸性能進行試驗，測試溫度755℃、765℃、775℃、785℃，試樣拉伸軸方向分別與板材軋制方向成0°、45°和90°，應變速率為0.005～0.1 s-1。

2.2 恒應變速率法超塑性延伸率試驗結(jié)果

圖2所示為0°方向不同溫度及恒應變速率時超塑性延伸率結(jié)果。試驗表明，在775℃、0.005 s-1條件0°向試樣可獲得最高為960.9%的延伸率。

圖2 0°向恒應變速率法超塑延伸率

圖3所示為90°方向不同溫度及恒應變速率時超塑性延伸率結(jié)果。試驗表明，在775℃、0.005 s-1條件L向試樣可獲得最高為1 121.2%的延伸率。

圖3 90°向恒應變速率法超塑延伸率

圖4所示為45°方向不同溫度及恒應變速率時超塑性延伸率結(jié)果。試驗表明，在775℃、0.005 s-1條件45°方向試樣可獲得最高為750.8%的延伸率。

圖4 45°向恒應變速率法超塑延伸率

所以，SP700鈦合金的最佳超塑成形溫度為775℃。對于恒應變速率法，最佳應變速率為0.005 s-1。

2.3 最大m值法超塑性延伸率試驗結(jié)果

采用最大m值法的最終斷裂延伸率如圖5所示。在775℃、45°方向的延伸率最高，為3 110%，在785℃、90°方向的延伸率最低，為1 127%。

圖5 最大m值法超塑延伸率

鈦合金超塑變形工藝中影響鈦合金超塑性能的主要因素包括晶粒度、變形溫度、應變速率等。在晶粒度和變形溫度一定時，因超塑變形中流變應力對應變速率的高敏感性，使得應變速率成為影響鈦合金超塑性能的重要因素。最大m值超塑變形拉伸試驗法是根據(jù)整個拉伸過程中采集到的眾多m值數(shù)據(jù)進行數(shù)學平均得到最大m值。在超塑性拉伸過程中，以最大m值為原則，應變速率始終在材料具有最佳超塑性狀態(tài)下附近波動，可以獲得異常高的延伸率。所以，采用最大m值法測得的SP700鈦合金薄板超塑性結(jié)果遠遠高于恒應變速率法測得的結(jié)果。

3 結(jié) 論

1.最大m值法時SP700鈦合金薄板的最佳超塑成型溫度為775℃。

2.恒應變速率法時SP700鈦合金薄板的最佳超塑成型溫度為775℃，最佳應變速率為0.005 s-1。