Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al合金熱加工性能研究

李昌民，黃亮，趙明杰，郭士琦，蘇陽，李建軍

Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al合金熱加工性能研究

李昌民，黃亮，趙明杰，郭士琦，蘇陽，李建軍

（華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

基于應(yīng)變速率敏感系數(shù)、溫度敏感系數(shù)，研究Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al（Ti-6554）合金的熱加工性能。通過Gleeble-3500熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)，在溫度為953～1 043 K、應(yīng)變速率為0.001～10 s?1時，對Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al合金進(jìn)行高溫壓縮實(shí)驗(yàn)。建立不同應(yīng)變下的應(yīng)變速率敏感系數(shù)圖、溫度敏感系數(shù)圖，分析不同變形條件下的微觀組織。隨著應(yīng)變速率的增加，應(yīng)變速率敏感系數(shù)逐漸下降，而低溫度敏感系數(shù)區(qū)域主要集中在低應(yīng)變速率區(qū)域?；谖⒂^組織表征，發(fā)現(xiàn)變形過程中存在明顯的動態(tài)相變和動態(tài)再結(jié)晶過程。確定Ti-6554合金的合理加工條件為953～964 K、0.001 s?1和1 037～1 043 K、0.001 s?1。

Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al合金；應(yīng)變速率敏感系數(shù)；溫度敏感系數(shù)；微觀組織

亞穩(wěn)β鈦合金優(yōu)異的淬透性、良好的力學(xué)性能使其廣泛應(yīng)用于飛機(jī)起落架等大型承力構(gòu)件[1-3]。目前，此類大型承力構(gòu)件多采用模鍛成形。熱模鍛過程中變形溫度、變形速度、變形量等參數(shù)會顯著影響零件的微觀組織，進(jìn)而導(dǎo)致力學(xué)性能的變化[4]，因此有必要通過熱模擬實(shí)驗(yàn)研究鈦合金的加工性能[5]，確定合理的加工工藝參數(shù)。

現(xiàn)階段對鈦合金熱加工性能的研究主要集中在本構(gòu)模型、熱加工圖和微觀組織演化。朱麗等[6]研究了TC1鈦合金板材的熱加工性能，建立了Arrhenius本構(gòu)模型，通過熱加工圖確定了合理加工區(qū)間出現(xiàn)在600～650 ℃、0.000 1～0.001 s?1。武川等[7]研究了Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al（Ti-6554）的熱變形行為，發(fā)現(xiàn)在溫度高于850 ℃、應(yīng)變速率低于0.1 s?1且應(yīng)變大于0.6時，會發(fā)生明顯的動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象。丁蓉蓉等[8]建立了Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe合金的本構(gòu)模型和熱加工圖，確定合理加工區(qū)間出現(xiàn)在840～900 ℃、0.01～0.3 s?1。Yang等[9]通過EBSD確定了TB8合金熱變形的主要動態(tài)再結(jié)晶機(jī)制為連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶和非連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶。Wu等[10]研究了Ti-5Al-5Mo-5V- Cr-1Zr合金變形過程中動態(tài)相變、織構(gòu)演化、變形熱對流動軟化的貢獻(xiàn)程度。

新型亞穩(wěn)β鈦合金Ti-6554綜合性能優(yōu)良，其Mo當(dāng)量為13.3，Al當(dāng)量為4[11]，經(jīng)熱處理后力學(xué)性能優(yōu)于BT-22和Ti-1023[12]，可以適用于飛機(jī)起落架等大型承力構(gòu)件。然而該合金在變形過程中變形抗力大，導(dǎo)熱性較差，微觀組織對變形參數(shù)非常敏感[12]，因此有必要研究該合金的熱變形行為?，F(xiàn)有研究主要集中在該合金單相區(qū)的微觀組織演化以及兩相區(qū)的本構(gòu)模型。其中，Li等[1]研究了單相區(qū)的熱變形行為，發(fā)現(xiàn)低應(yīng)變速率下主要是非連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶，而在高應(yīng)變速率下以連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶為主。Long等[13]建立了Ti-6554合金的遺傳算法優(yōu)化Johnson-Cook模型、Arrhenius型本構(gòu)模型，并確定了變形過程中存在擠壓球化機(jī)制和剪切球化機(jī)制。

以上這些可以為鈦合金的熱變形行為研究奠定基礎(chǔ)，此外，有必要指出的一點(diǎn)是應(yīng)變速率敏感系數(shù)作為Arrhenius模型中的重要參數(shù)，與塑性變形行為和變形機(jī)制有重要關(guān)聯(lián)。Liang等[14]發(fā)現(xiàn)應(yīng)變速率敏感系數(shù)大于0.2的區(qū)域已經(jīng)達(dá)到動態(tài)再結(jié)晶過程所需的臨界密度。Nan等[15]發(fā)現(xiàn)高應(yīng)變速率敏感區(qū)域主要集中在高溫低應(yīng)變速率區(qū)域，同時考慮到鈦合金對變形溫度十分敏感，采用了溫度敏感系數(shù)來描述成形溫度對熱變形的敏感性[16]。

文中通過溫度為953～1 043 K、應(yīng)變速率為0.001～10 s?1的熱壓縮實(shí)驗(yàn)，基于應(yīng)變速率敏感系數(shù)圖、溫度敏感系數(shù)圖、微觀組織，對Ti-6554合金的熱加工性能進(jìn)行表征，為進(jìn)一步擴(kuò)大Ti-6554合金的應(yīng)用范圍提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用的Ti-6554合金成分如表1所示，其相變點(diǎn)為（1 058±5）K[1]。為了評估Ti-6554合金的熱加工性能，在溫度為953～1 043 K、應(yīng)變速率為0.001～10 s?1下進(jìn)行高溫壓縮實(shí)驗(yàn)。首先將樣品加工成直徑為8 mm、高度為12 mm的小圓柱，隨后在圓柱上下表面涂覆玻璃潤滑劑，并放置鉭片以降低樣品和夾具之間的摩擦。抽真空后，采用10 K/s的升溫速度升高至變形溫度并保溫300 s，保證微觀組織均勻性并消除溫度梯度。壓縮變形量為60%，對應(yīng)的真應(yīng)變?yōu)?.9。變形完成后迅速水冷以保留變形后的微觀組織。

為了對樣品進(jìn)行微觀組織觀察，將樣品沿壓縮方向中心切開，用砂紙研磨并機(jī)械拋光后，采用10 mL氫氟酸、30 mL硝酸、70 mL蒸餾水的混合溶液進(jìn)行腐蝕，腐蝕完成后立即用清水沖洗并烘干，最后在超景深金相顯微鏡上觀察變形后的微觀組織。

表1 Ti-6554合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

Tab.1 Chemical composition of Ti-6554 alloy (mass fraction) %

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖1為Ti-6554合金在不同變形條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出在變形初期隨著應(yīng)變的增大，在加工硬化效應(yīng)的作用下流動應(yīng)力迅速增加到峰值[17]，此時變形過程中加工硬化占主導(dǎo)[18-19]。隨著應(yīng)變的增大，動態(tài)回復(fù)、動態(tài)相變、動態(tài)再結(jié)晶等軟化機(jī)制逐漸占主導(dǎo)，流動應(yīng)力逐漸減小。此外，隨著應(yīng)變速率的增加和變形溫度的下降，峰值應(yīng)力逐漸增加，這是因?yàn)楦邞?yīng)變速率提高了位錯的增殖速度，而低變形溫度增加了變形抗力，使流動應(yīng)力逐漸增加。值得注意的是，流動應(yīng)力的下降幅度在高應(yīng)變速率下特別明顯，這是因?yàn)殁伜辖鸬臒釋?dǎo)率很低，變形過程中產(chǎn)生的熱量不能及時散發(fā)，從而引起變形熱效應(yīng)[20-21]。變形熱效應(yīng)的產(chǎn)生會使局部溫度升高，促進(jìn)動態(tài)回復(fù)、動態(tài)再結(jié)晶等軟化效應(yīng)。如果變形溫度超過鈦合金的合理變形溫度，容易造成流動局部化等典型失穩(wěn)現(xiàn)象[22]，這會影響零件的使用壽命。

圖1 不同條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 應(yīng)變速率敏感系數(shù)

式中：1、2、3、4為常數(shù)。根據(jù)式（1），文中擬合了不同變形條件下流動應(yīng)力和應(yīng)變速率曲線，如圖2所示。低應(yīng)變下的每條曲線間距都較大，隨著應(yīng)變的增加，高溫低應(yīng)變速率下的曲線逐漸接近，說明變形過程中存在相似的微觀組織演化。根據(jù)擬合結(jié)果，可以通過式（2）計(jì)算不同變形條件下的應(yīng)變速率敏感系數(shù)[21]：

式中：為應(yīng)變速率敏感系數(shù)。得到值后，通過MATLAB將其擴(kuò)展為矩陣形式，并建立了不同應(yīng)變下的3D應(yīng)變速率敏感系數(shù)圖，如圖3所示?？梢钥闯觯瑧?yīng)變速率敏感系數(shù)對變形溫度、應(yīng)變速率的變化非常敏感。應(yīng)變速率敏感系數(shù)可以看成樣品變形過程中吸收總能量的分配指數(shù)，表示吸收的總能量以一定比例分別消耗于塑性變形和微觀組織演變。一般而言，應(yīng)變速率敏感系數(shù)越大，變形過程中用于微觀組織演變的能量越多，即隨著應(yīng)變速率的增加，應(yīng)變速率敏感系數(shù)逐漸下降，說明在高應(yīng)變速率下變形過程中的能量大都用于塑性變形，而在低應(yīng)變速率下，位錯有充足的時間進(jìn)行滑移和攀移，從而可以促進(jìn)動態(tài)回復(fù)、動態(tài)再結(jié)晶等軟化機(jī)制。變形過程中大量的能量用于微觀組織演變，可以看到2個應(yīng)變速率敏感系數(shù)的峰值分別出現(xiàn)在953 K、0.001 s?1和1 043 K、0.001 s?1時。此外，從不同應(yīng)變下的應(yīng)變速率敏感系數(shù)變化也可以發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)變速率敏感系數(shù)逐漸下降。在應(yīng)變?yōu)?.1時，應(yīng)變速率敏感系數(shù)的峰值接近0.35，而當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.9時，峰值逐漸下降到0.25左右。一般而言，較高的應(yīng)變速率敏感系數(shù)是獲得良好變形條件的前提。Stüwe等[23]研究指出，應(yīng)變速率敏感系數(shù)與位錯滑移有關(guān)，變形過程中大量的位錯聚集容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，降低了金屬的塑性流動能力，應(yīng)變速率敏感系數(shù)逐漸下降。這也解釋了在高應(yīng)變速率下應(yīng)變速率敏感系數(shù)比較低的原因。

圖2 不同應(yīng)變下流動應(yīng)力和應(yīng)變速率之間的關(guān)系

圖3 不同應(yīng)變下的3D應(yīng)變速率敏感系數(shù)

2.3 溫度敏感系數(shù)

溫度也是應(yīng)變變形過程中的重要參數(shù)，以動態(tài)再結(jié)晶過程為例，變形溫度只有超過再結(jié)晶的臨界溫度，再結(jié)晶過程才有可能發(fā)生，并且在兩相區(qū)變形過程中，變形溫度的升高也會使α相的含量下降，進(jìn)而影響后續(xù)的軟化過程。目前，變形溫度和流動應(yīng)力之間的關(guān)系可以用式（3）表示：

式中：為流動應(yīng)力；為熱力學(xué)溫度；1、2、3、4為常數(shù)。根據(jù)式（3），文中擬合了不同應(yīng)變下的應(yīng)力與變形溫度的關(guān)系，如圖4所示?？梢钥闯龅蛻?yīng)變速率下對溫度的敏感性較低，而在高應(yīng)變速率下，隨著溫度的升高，流動應(yīng)力下降得非常明顯。鈦合金高應(yīng)變速率變形過程中容易產(chǎn)生變形熱效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致局部溫度升高。這一部分能量可能會促進(jìn)軟化過程，然而如果變形溫度超過鈦合金的合理變形溫度，將會導(dǎo)致流動局部化等失穩(wěn)現(xiàn)象的產(chǎn)生。根據(jù)不同條件下的擬合結(jié)果，不同變形條件下的溫度敏感系數(shù)可參考式（4）進(jìn)行計(jì)算[16]：

圖5為不同應(yīng)變下溫度敏感系數(shù)與變形參數(shù)的關(guān)系。普遍認(rèn)為低溫度敏感系數(shù)表示溫度對流動應(yīng)力的影響較小，意味著相對穩(wěn)定的流動機(jī)制[16]，并且在熱加工過程中更容易進(jìn)入穩(wěn)定流動狀態(tài)。從圖5a可以看出，在低應(yīng)變速率下，溫度敏感系數(shù)較低，而在高應(yīng)變速率下存在明顯的峰值，這是由于高應(yīng)變速率下位錯增殖速度顯著增大，導(dǎo)致樣品內(nèi)部變形存儲能上升，進(jìn)而促進(jìn)動態(tài)相變、動態(tài)再結(jié)晶、動態(tài)回復(fù)等軟化機(jī)制，另外前文提到的變形熱效應(yīng)也進(jìn)一步促進(jìn)了該過程。盡管隨著溫度的升高，在高應(yīng)變速率下出現(xiàn)了一個溫度敏感系數(shù)很低的區(qū)域，但高應(yīng)變速率依舊會增加鈦合金失穩(wěn)現(xiàn)象出現(xiàn)的風(fēng)險。

圖4 不同應(yīng)變下變形溫度和流動應(yīng)力之間的關(guān)系

圖5 不同應(yīng)變下的3D溫度敏感系數(shù)

2.4 熱加工區(qū)間的確定

將不同應(yīng)變下的應(yīng)變速率敏感系數(shù)圖和溫度敏感系數(shù)圖進(jìn)行疊加，得到了如圖6所示的結(jié)果，其中彩色區(qū)域?yàn)閼?yīng)變速率敏感系數(shù)，黑色線條為溫度敏感系數(shù)。從圖6可以看出，低溫度敏感系數(shù)和高應(yīng)變速率敏感系數(shù)重合的位置主要集中在低應(yīng)變速率區(qū)域，根據(jù)溫度敏感系數(shù)和應(yīng)變速率敏感系數(shù)的大小，文中確定了2個合理加工區(qū)域的范圍，分別是953～964 K、0.001 s?1和1 037～1 043 K、0.001 s?1，如圖6中的和箭頭所指的區(qū)域。在整個應(yīng)變范圍內(nèi)，它們的應(yīng)變速率敏感系數(shù)分別為0.179～0.3和0.3～0.35，溫度敏感系數(shù)分別為0.6～1.45和0.50～0.9?？傮w而言，擁有較高的應(yīng)變速率敏感系數(shù)值和較低的溫度敏感系數(shù)值。圖7為圖6中這3個區(qū)域內(nèi)的典型微觀組織。從圖7a可以看出，在953 K、0.001 s?1時，微觀組織中存在有大量的α相，并且該條件下沒有任何失穩(wěn)現(xiàn)象產(chǎn)生。從圖7b可以發(fā)現(xiàn)，一部分α相為了緩解應(yīng)力集中而逐漸被拉長。當(dāng)溫度增加到1 043 K時，微觀組織中的α相已經(jīng)大量下降，一方面變形之前的保溫過程會使大量α相轉(zhuǎn)為β相。另一方面，變形過程中會發(fā)生動態(tài)相變過程。動態(tài)相變不僅伴隨著晶格結(jié)構(gòu)的變化，同樣伴隨著元素的擴(kuò)散[24]。此外，還可以發(fā)現(xiàn)β晶界存在明顯的弓出，如圖7c中黑色箭頭所示。研究指出，晶界弓出是應(yīng)變誘導(dǎo)晶界遷移的典型特征[5]。弓出部位可以看作再結(jié)晶晶粒的形核位置。

圖6 不同應(yīng)變下的應(yīng)變速率敏感系數(shù)和溫度敏感系數(shù)疊加圖

圖7 不同變形條件下的微觀組織

溫度敏感系數(shù)較高、應(yīng)變速率敏感系數(shù)較低的區(qū)域被認(rèn)為是不合理的加工區(qū)域，文中該區(qū)域主要集中在高應(yīng)變速率區(qū)域，其中選擇圖6中的區(qū)域作為其中的代表，其典型的微觀組織如圖7d所示?？梢园l(fā)現(xiàn)變形過程中出現(xiàn)了明顯的流動局部化現(xiàn)象。流動局部化現(xiàn)象是鈦合金在高應(yīng)變速率下發(fā)生的變形熱效應(yīng)導(dǎo)致的[25-26]，這會顯著影響零件的使用壽命，應(yīng)該避免。此外從圖7d還可以發(fā)現(xiàn)，α相的分布非常不均勻，有的地方α相含量很低，這進(jìn)一步說明了變形過程中發(fā)生了動態(tài)相變的過程，在高應(yīng)變速率下，變形熱效應(yīng)給動態(tài)相變過程提供了充足能量，同時，高應(yīng)變速率提高了位錯增殖速度，為動態(tài)相變過程的進(jìn)行進(jìn)一步提供了大量的變形儲存能[24]。

結(jié)合以上分析可以確定Ti-6554合金的合理加工區(qū)域?yàn)?53～964 K、0.001 s?1和1 037～1 043 K、0.001 s?1。

3 結(jié)論

1）Ti-6554合金變形過程中流動應(yīng)力隨著溫度升高和應(yīng)變速率下降而逐漸降低。高應(yīng)變速率下變形熱效應(yīng)導(dǎo)致曲線發(fā)生明顯軟化。

2）隨著應(yīng)變速率的增加，應(yīng)變速率敏感系數(shù)逐漸下降，而低溫度敏感系數(shù)區(qū)域主要集中在低應(yīng)變速率區(qū)域，并確定Ti-6554合金的合理加工條件為953～964 K、0.001 s?1和1 037～1 043 K、0.001 s?1。失穩(wěn)區(qū)域主要集中在高應(yīng)變速率區(qū)域。

3）基于微觀組織表征發(fā)現(xiàn)在加工安全區(qū)微觀組織均勻性很高，沒有明顯的失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生。在失穩(wěn)區(qū)域流動局部化是典型的失穩(wěn)現(xiàn)象。

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Hot Workability of Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al Alloy

LI Chang-min, HUANG Liang, ZHAO Ming-jie, GUO Shi-qi, SU Yang, LI Jian-jun

(State Key Laboratory of Materials Processing and Die & Mould Technology, School of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

The work aims to study the hot workability of Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al (Ti-6554) alloy based on strain rate sensitivity coefficient and temperature sensitivity coefficient. The high temperature compression experiments of Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al alloy were carried out with Gleeble-3500 thermal simulation machine at the temperature of 953～1 043 K and the strain rate of 0.001～10 s?1. The strain rate sensitivity coefficient map and temperature sensitivity coefficient map under different strains were established, and the microstructure under different deformation conditions was analyzed. The strain rate sensitivity coefficient decreased gradually with the increase of strain rate, while the low temperature sensitivity coefficient was mainly concentrated in the low strain rate region. Based on the microstructure characterization, obvious dynamic transformation and dynamic recrystallization processes were found during the deformation process. The optimum processing conditions of Ti-6554 alloy are determined to be the deformation temperature of 953～964 K and 1 037～1 043 K and the strain rate of 0.001 s?1.

Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al alloy; strain rate sensitivity coefficient; temperature sensitivity coefficient; microstructure

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.04.003

TG316.3

A

1674-6457(2022)04-0020-08

2022-03-01

哈爾濱工業(yè)大學(xué)金屬精密熱加工國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（6142909190207）；陜西省高性能精確成形技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金開放課題（PETE-2019-KF01）

李昌民（1994—），男，博士生，主要研究方向?yàn)楦邚?qiáng)韌鈦合金熱成形工藝。

黃亮（1981—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)楦邚?qiáng)韌金屬材料及其特殊能場作用下大型高性能金屬構(gòu)件熱成形。

責(zé)任編輯：蔣紅晨