TA15合金高低溫恒應(yīng)變速率拉伸變形行為對比研究

熊錦濤 ， 魏 科 ， 王 楝 ， 吳 磊 ， 楊 朝 ， 張友利

（南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，南昌 330063）

0 引言

鈦合金具有比強度高、抗蝕性好、耐熱性高等優(yōu)點，是20世紀50年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬。隨著航空航天等工業(yè)的蓬勃發(fā)展，對輕量高強度材料的需求日益增長。鈦合金可有效提高裝備性能的同時，還可減輕裝備質(zhì)量，已廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機葉片、飛機機身等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的制造[1-2]。鈦合金通常分為α、β、α+β型3類。TA15鈦合金是一種新型的近α型中強度鈦合金，名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，相變溫度為970～990 ℃，具有較好的綜合力學(xué)性能[3]。

超塑性成形是利用材料在某些特定條件下的優(yōu)異變形性能而發(fā)展起來的一種新型熱加工技術(shù)，具有大伸長率、小變形抗力及易成形等特點。目前，認為超塑性變形是晶界滑移、擴散蠕變調(diào)節(jié)機制及動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶等變形機理綜合作用的結(jié)果。其中，晶界滑移機理為主要機制[4-5]。影響超塑性成形的主要因素有晶粒尺寸、變形溫度、應(yīng)變速率等[6]。鈦合金在特定的高溫條件下具有良好的超塑性，但若能降低鈦合金的超塑成形溫度，在改善加工性能的前提下，不僅能大幅減少能耗，而且可成為降低高溫合金模具失效可能性、提高模具壽命的有效途徑。因此，挖掘鈦合金在較低溫度條件下的超塑性能具有較好的研究前景。

鈦合金超塑性成形是熱加工領(lǐng)域的研究熱點，國內(nèi)外對鈦合金在高溫條件下的超塑性變形已進行了廣泛研究[7-8]。Imayev等[9]通過兩階段熱鍛對Ti-43.7Al-4.2Nb-0.5Mo-0.2B-0.2C合金進行晶粒細化，在變形溫度800～1000 ℃、應(yīng)變速率1×10-3～1×10-4s-1下，合金在超塑性拉伸后獲得了1270%～2860%的伸長率。曾麗英等[10]通過對超塑性溫度較低的SPZ鈦合金進行鍛軋?zhí)幚?，使其晶粒細化?.89 μm，在740～800 ℃且初始恒應(yīng)變速率為1.11×10-3s-1的實驗條件下進行超塑性拉伸，合金的最大伸長率均超過1600%。這些研究對挖掘鈦合金在不同條件下的超塑性能具有較好的指導(dǎo)意義。然而，目前對鈦合金在高溫與低溫下的超塑性變形行為差異的研究尚需進一步開展。

為進一步研究鈦合金在低溫條件下的超塑性變形行為，實現(xiàn)低成本超塑成形并降低模具失效的可能，本研究采用恒應(yīng)變速率法對TA15合金在不同應(yīng)變速率條件下進行低溫（700～750 ℃）和高溫（800～900 ℃）下的拉伸變形行為研究，通過分析不同變形溫度、應(yīng)變速率等條件下TA15合金真應(yīng)力與真應(yīng)變對應(yīng)關(guān)系的變化，研究TA15合金超塑性變形行為。本研究可為航空鈦合金大型構(gòu)件的低溫超塑性成形提供參考。

1 實驗材料與方法

拉伸試樣是由TA15合金塊料加工成的標準圓棒形短試樣，尺寸如圖1a所示。試樣標距部分的尺寸為?5 mm×15 mm。合金的原始微觀組織約含有37%（體積分數(shù)）的初生等軸α相，平均晶粒尺寸約為15 μm，其余為轉(zhuǎn)變β基體（圖1b）。

圖1 拉伸試樣尺寸及原始微觀組織Fig.1 Size of tensile specimen and original microstructure

采用電子萬能拉伸試驗機進行拉伸實驗。實驗溫度為700、750、800、850、900 ℃（本研究將700～750 ℃變形溫度定義為低溫，800～900 ℃定義為高溫），應(yīng)變速率為1×10-2、1×10-3、1×10-4s-1，試樣在爐內(nèi)保溫10 min。由于鈦合金在加熱及變形過程中易被氧化形成氧化層而影響塑性，因此實驗前需在試樣上均勻涂覆玻璃防護劑以防止氧化，并給試樣施加預(yù)緊力以避免空載。采用恒應(yīng)變速率法，即拉伸過程中自動調(diào)節(jié)拉伸速率，使試樣應(yīng)變速率保持相同。試樣斷裂后放入水中冷卻，以保留變形時的微觀組織。繪制變形的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，比較TA15合金在高低溫及不同應(yīng)變速率下的變形行為。通過觀察拉伸斷口處的微觀形貌，分析不同條件下的組織變化特征。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌及伸長率分析

圖2為TA15合金在不同溫度和應(yīng)變速率下拉伸后的宏觀形貌，圖3為試樣拉伸變形后的伸長率與變形溫度、應(yīng)變速率的關(guān)系?？梢钥闯?，應(yīng)變速率對TA15合金超塑性有較大影響，在700～900 ℃時，試樣的伸長率隨著應(yīng)變速率的降低而增大。針對于不同變形溫度，試樣在1×10-4s-1應(yīng)變速率下，伸長率均達到140%以上，顯著高于其他較高應(yīng)變速率條件下獲得的伸長率，表現(xiàn)出一定的超塑性能，在750 ℃較低溫度下，合金試樣也能表現(xiàn)出183.3%的伸長率；而在1×10-2、1×10-3s-1應(yīng)變速率下，試樣伸長率均未超過140%，且在1×10-2s-1的高應(yīng)變速率下，各變形溫度試樣的伸長率均未達到120%，在700～750 ℃低變形溫度時，伸長率甚至未超過100%。這表明TA15合金在較低應(yīng)變速率下拉伸時，即使變形溫度較低，也能較好地發(fā)揮其超塑性能。

圖2 拉伸試樣宏觀形貌Fig.2 Macroscopic feature of tensile specimen

圖3 試樣伸長率與變形條件的關(guān)系Fig.3 Relationship between elongation and deformation conditions

由圖3還可知，應(yīng)變速率一定時，試樣伸長率會先隨著溫度的升高而增大，溫度達到一定值后，又隨著溫度的升高而減小。在應(yīng)變速率為1×10-4s-1時，當(dāng)變形溫度為850 ℃，試樣的伸長率最大，達到250%。這是因為隨著溫度升高，原子動能增大，原子間的結(jié)合力減小，晶界滑移阻力減弱，應(yīng)變激活能增加，材料擴散蠕變能力提高，流動應(yīng)力降低，使伸長率提高[11]；當(dāng)變形溫度升高為900 ℃，試樣伸長率卻降至160%，這是因為變形溫度過高，動態(tài)再結(jié)晶晶粒快速長大，導(dǎo)致晶粒粗大，晶界滑移所需的應(yīng)變能增加，材料塑性降低。而在應(yīng)變速率為1×10-2s-1時，因變形速率增加，提升變形溫度所引發(fā)的晶粒長大現(xiàn)象不明顯，晶界滑移起主導(dǎo)作用，因此試樣伸長率始終隨溫度的升高而增大。由此可知，在不同應(yīng)變速率下，溫度的變化對TA15合金超塑性伸長率的影響規(guī)律會有所不同[12]。

此外，若變形溫度不變，試樣伸長率則會因應(yīng)變速率降低而增大。因為當(dāng)應(yīng)變速率較低時，試樣拉伸過程中的應(yīng)變硬化和應(yīng)力集中能夠被充分消除，利于晶界滑移，高溫下的變形時間延長，合金有充分的時間發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶使晶粒細化，有利于均勻變形，致使伸長率增大[13]。此外，應(yīng)變速率越低，應(yīng)變硬化階段越長，材料的超塑性越好[14]。而當(dāng)應(yīng)變速率過大時，擴散蠕變及位錯滑移等機制難以協(xié)調(diào)晶界的滑動或轉(zhuǎn)動，變形產(chǎn)生的畸變能未被充分消除，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，流動應(yīng)力較大，致使伸長率降低[15]。應(yīng)變速率不同時，試樣表現(xiàn)出最佳超塑性的變形溫度略有差異。在所測定的實驗中，試樣拉伸的應(yīng)變速率為1×10-2s-1時，表現(xiàn)出較好超塑性的變形溫度為900 ℃；應(yīng)變速率為1×10-4s-1時，最佳超塑性的變形溫度為850 ℃；而在應(yīng)變速率為1×10-3s-1時，此溫度降低為800 ℃。說明在一定變形速率下，TA15合金可在較低變形溫度表現(xiàn)出較好的超塑性能。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4為TA15合金在低溫700～750 ℃和高溫800～900 ℃下的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在拉伸變形初始階段，流動應(yīng)力隨應(yīng)變量增大而快速增加，產(chǎn)生應(yīng)變硬化。這是由于拉伸時大量的位錯向第二相顆粒和晶界處聚集，晶粒間位錯大量增殖，而第二相和晶界會對位錯的運動起到釘扎作用，同時動態(tài)再結(jié)晶的晶粒粗化，出現(xiàn)較大應(yīng)力并發(fā)生屈服。隨著應(yīng)變量的增加，應(yīng)變硬化速率開始出現(xiàn)下降趨勢；隨后，流動應(yīng)力達到峰值，試樣開始出現(xiàn)頸縮。在真應(yīng)力-應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為：隨應(yīng)變量的增加，流動應(yīng)力開始下降，此時應(yīng)變軟化占據(jù)主導(dǎo)地位；隨后，因再結(jié)晶晶粒尺寸增大，位錯受到阻礙而出現(xiàn)大量堆積增殖現(xiàn)象，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，出現(xiàn)嚴重的應(yīng)變硬化，試樣最終發(fā)生斷裂。

圖4 TA15合金在不同溫度下的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 True stress-strain curves of TA15 alloy at different deformation temperatures

當(dāng)應(yīng)力達到峰值后，升高變形溫度或降低應(yīng)變速率使曲線的下降趨勢趨于緩和，即應(yīng)變軟化導(dǎo)致流動應(yīng)力下降的趨勢減緩。在800～900 ℃較高溫度或1×10-4s-1較小應(yīng)變速率條件下，應(yīng)力達到峰值以后的曲線出現(xiàn)一個平臺，即為穩(wěn)態(tài)流變階段[16]，此階段的硬化和軟化達到了動態(tài)平衡，拉伸試樣出現(xiàn)均勻塑性變形。隨后流動應(yīng)力開始減小，直至試樣斷裂。穩(wěn)態(tài)流變階段有利于材料的超塑性變形，此階段越長，越能充分發(fā)揮材料超塑性，試樣伸長率就越大。隨著應(yīng)變量的增加，動態(tài)軟化作用增強，平臺發(fā)生變化，應(yīng)力逐漸開始下降[17]。此外，穩(wěn)態(tài)流變階段的跨度隨著應(yīng)變速率的增大或變形溫度的降低而逐漸減少，TA15合金的伸長率也隨之變小。

圖5為峰值應(yīng)力與變形條件的關(guān)系圖。由圖可知：在溫度相同條件下，峰值應(yīng)力隨應(yīng)變速率的減小而下降；而在相同應(yīng)變速率下，峰值應(yīng)力隨變形溫度升高而降低，其主要原因是升高溫度能促進動態(tài)回復(fù)與動態(tài)再結(jié)晶，加快了動態(tài)軟化進程，降低了變形所需的流動應(yīng)力；其次，隨著變形溫度的升高，原子的激活能增大，晶體原子間的結(jié)合力減弱，位錯密度降低，晶體相對滑移阻力減小，也降低了流動應(yīng)力[18-19]。因此，合金試樣在低溫700～750 ℃表現(xiàn)出顯著大于相同應(yīng)變速率的高溫800～900 ℃條件下的峰值流動應(yīng)力。

圖5 峰值應(yīng)力與不同實驗條件的關(guān)系Fig.5 Relationship between peak stress and different experimental conditions

2.3 微觀組織演變

圖6為TA15合金試樣在不同變形條件下拉伸變形后試樣斷口附近的微觀組織。與初始微觀組織對比可知，變形后試樣斷口附近的晶粒均發(fā)生了不同程度的長大，這是由于熱效應(yīng)與熱變形的疊加作用導(dǎo)致。

圖6a、圖6b 為相同變形溫度700 ℃、不同應(yīng)變速率下的TA15合金微觀組織形貌。對比可知，在較高應(yīng)變速率1×10-2s-1下，由于變形溫度低、變形時間短，晶粒長大程度不明顯。組織中部分α相晶粒合并長大，致使α相晶粒尺寸分布不均勻，晶粒形狀也不規(guī)則。同時，變形過程中畸變能快速增加，動態(tài)再結(jié)晶的驅(qū)動力增大，β相基體中析出大量細小的α相。由于拉應(yīng)力的作用，材料變形區(qū)域的晶粒沿試樣長度方向被拉長。這是因為低溫高應(yīng)變速率變形條件下的流動應(yīng)力大，位錯在晶界處大量塞積，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致晶粒明顯被拉長，材料的超塑性較差。而當(dāng)應(yīng)變速率為1×10-4s-1時，合金變形時間延長，流動應(yīng)力較小，再結(jié)晶充分使晶粒等軸化程度提高，合金超塑性得到了一定改善。

圖6b、圖6c為相同應(yīng)變速率1×10-4s-1、不同變形溫度的TA15合金微觀組織形貌?？梢姡瑴囟葹?50 ℃的試樣斷口附近晶粒發(fā)生明顯粗化，且分布不均勻。提高超塑性變形溫度促進了材料產(chǎn)生動態(tài)回復(fù)軟化，使得拉伸變形的時間延長，而在大的塑性變形及高溫長時間作用下，材料吸收了動態(tài)再結(jié)晶新晶粒長大時的驅(qū)動能，增長了原子自由能，增強了擴散蠕變及晶間滑移的作用[20]，形成了α相聚集再結(jié)晶，促使多個相鄰的α相晶粒合并長大，最終呈現(xiàn)出不規(guī)則的晶粒邊界。故當(dāng)變形溫度繼續(xù)升高至900 ℃時，試樣的伸長率出現(xiàn)急劇下降趨勢。這表明，超塑性變形溫度不宜過高，應(yīng)變速率也不宜過低。

圖6 不同變形條件下TA15合金斷口附近微觀組織Fig.6 Microstructure near the fracture of TA15 alloy after different deformation

3 結(jié)論

1）TA15合金在700、750、800、850、900 ℃的變形溫度和1×10-2、1×10-3、1×10-4s-1的應(yīng)變速率下，試樣伸長率為73.3%～250.0%。其中，在850 ℃、1×10-4s-1的變形條件下，合金伸長率達到250.0%，表現(xiàn)出的超塑性最佳；在750 ℃、1×10-4s-1變形條件下，試樣的伸長率為183.3%。試樣在各溫度的1×10-4s-1低應(yīng)變速率下所表現(xiàn)出的超塑性都明顯優(yōu)于在1×10-2、1×10-3s-1條件下的超塑性。

2）流動應(yīng)力峰值隨著應(yīng)變速率的減小或變形溫度的升高而逐漸減小，試樣在較低溫700～750 ℃表現(xiàn)出顯著大于相同應(yīng)變速率的較高溫800～900 ℃條件下的峰值應(yīng)力；在高溫或低應(yīng)變速率下，真應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流變階段，其跨度隨著應(yīng)變速率的增大或變形溫度的降低而逐漸減少。

3）經(jīng)歷高溫、低應(yīng)變速率條件變形后的試樣微觀組織發(fā)生了α相聚集再結(jié)晶，晶粒粗化較明顯；在低溫、高應(yīng)變速率條件下，α相沿試樣長度方向被拉長，但在較高溫度或較低應(yīng)變速率條件下，α相的拉長特征則不明顯。