TA32高溫鈦合金超塑性能研究

周麗娜，付明杰，李曉華，韓秀全

（1. 中國航空制造技術(shù)研究院， 北京 100024；2. 塑性成形技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100024；3. 數(shù)字化塑性成形技術(shù)及裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100024）

超塑成形是一種低成本、高效益、近無余量的成形工藝，具有有效降低結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)的完整性和承載效率的優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1–2]。TA32合金是在TA12合金基礎(chǔ)上進(jìn)行成分改進(jìn)而得到的一種新型近α型鈦合金，名義成分為Ti–5.5A1–3.5Sn–3.0Zr–0.7Mo–0.3Si–0.4Nb–0.4Ta[3]。該合金在550 ℃具有良好的綜合性能，在低于550 ℃的環(huán)境可長時(shí)間使用，短時(shí)使用溫度可達(dá)600 ℃，在超音速飛行器和航空發(fā)動(dòng)機(jī)中具有廣泛的應(yīng)用前景。目前國內(nèi)已針對(duì)TA32合金板材開展了熱變形行為的研究[4–7]，但超塑成形相關(guān)的研究較少[8–9]。

在本研究中，通過單向超塑拉伸試驗(yàn)研究變形工藝參數(shù)（應(yīng)變速率、變形溫度）對(duì)TA32合金超塑性的影響規(guī)律，獲得最大超塑延伸率的工藝參數(shù)。通過錐形件的超塑脹形，研究平面應(yīng)力變形條件下TA32合金的變形特征和微觀組織演變規(guī)律，為結(jié)構(gòu)件的工藝設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為寶鈦集團(tuán)提供的1.5 mm厚退火態(tài)TA32鈦合金，板材的原始顯微組織如圖1所示，由白色等軸α和黑色β相組成，β相呈等軸狀或長條狀，平均晶粒尺寸小于5 μm。

圖1 TA32合金板材原始顯微組織Fig.1 Initial microstructure of TA32 titanium alloy sheet

1.2 試驗(yàn)方法

（1）單向超塑拉伸試驗(yàn)。

利用線切割加工出如圖2所示的拉伸試樣，試樣表面經(jīng)除油處理和砂紙研磨，保證表面平整、無裂紋。試樣標(biāo)距表面均勻涂抹抗氧化涂料。超塑拉伸試驗(yàn)在SANS–CMT4104型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣加熱采用電阻爐，工作區(qū)的溫度誤差≤±5 ℃。超塑拉伸時(shí)，拉伸試樣加熱到溫后保溫5 min，以保證試樣溫度分布均勻，然后進(jìn)行恒應(yīng)變速率單向超塑拉伸，試驗(yàn)過程中通過橫梁位移來計(jì)算試樣變形。選取的超塑拉伸溫度為920 ℃、940 ℃、960 ℃、980 ℃，應(yīng)變速率為5.0×10–5s–1、1.0×10–4s–1、1.0×10–3s–1。

圖2 拉伸試樣（mm）Fig.2 Tensile specimen (mm)

（2）錐形件超塑脹形試驗(yàn)。

板材下料尺寸為180 mm×180 mm，板料上下表面均勻噴涂止焊劑。錐形件超塑脹形試驗(yàn)在專用的脹形模具中進(jìn)行，如圖3所示。試驗(yàn)時(shí)，先將板材放置在上下模中間，并加熱模具，當(dāng)溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，模具中加入0.02 MPa保護(hù)氣，當(dāng)模具溫度達(dá)到目標(biāo)溫度，上模通入氬氣使板料開始脹形，脹形過程中采用勻速連續(xù)加壓，加壓速率為0.02 MPa/min，直至零件吹破為止。選取成形溫度為920 ℃、940 ℃、960 ℃、980 ℃。取出零件后，從錐形件不同位置取樣，采用OLYMPUS BX41M金相顯微鏡對(duì)顯微組織進(jìn)行觀察分析。

圖3 錐形件超塑脹形示意圖Fig.3 Superplastic bulging diagram of cone shape part

2 結(jié)果及討論

2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4為相同應(yīng)變速率不同變形溫度的拉伸真應(yīng)力–應(yīng)變曲線，可以看出曲線呈現(xiàn)出明顯的加工硬化變形特征，在所有變形條件范圍內(nèi)應(yīng)力均隨著應(yīng)變的增加而增加，當(dāng)變形大于峰值應(yīng)變后，應(yīng)力迅速減小，發(fā)生斷裂。原因是恒應(yīng)變速率拉伸過程中隨著變形量的增加，橫梁的移動(dòng)速度增加，材料發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化的速度小于加工硬化的速度。然而，采用恒速度超塑拉伸的曲線特征則與恒應(yīng)變速率的相反，峰值應(yīng)變通常較小，變形繼續(xù)增加時(shí)則發(fā)生軟化，即應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而減小，應(yīng)變速率逐漸減小。由此可以推斷，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的軟化作用取決于變形歷史。

圖4 TA32合金在不同變形溫度下的真應(yīng)力–應(yīng)變曲線Fig.4 True stress–strain curves of TA32 alloy at different deformation temperatures

圖5為應(yīng)變速率對(duì)真應(yīng)力–應(yīng)變曲線的影響，可見，除960 ℃之外，其他3個(gè)溫度變形時(shí)，應(yīng)變速率為1×10–4s–1和5×10–5s–1的應(yīng)力–應(yīng)變曲線幾乎重合，表明低應(yīng)變速率條件下應(yīng)變速率對(duì)流變應(yīng)力的影響較小。

圖5 TA32合金在不同應(yīng)變速率下的真應(yīng)力–應(yīng)變曲線Fig.5 True stress-strain curves of TA32 alloy at different strain rates

2.2 超塑延伸率

圖6為不同參數(shù)條件下的超塑延伸率，由圖6（a）可知，在同一變形溫度下，超塑性分為兩種類型，變形溫度為920 ℃和940 ℃時(shí)，超塑延伸率均隨應(yīng)變速率的增加而增加，在應(yīng)變速率為1×10–3s–1時(shí)最高，分別為864%和862%；而變形溫度為960 ℃和980 ℃時(shí)，超塑延伸率隨應(yīng)變速率的增加先降低后緩慢增加，在應(yīng)變速率為5×10–5s–1時(shí)最高，分別為554%和387%。由圖6（b）可知，在同一應(yīng)變速率下，超塑延伸率隨著溫度的升高先增加后降低，變形溫度為940 ℃時(shí)最高，變形溫度為980 ℃時(shí)，超塑延伸率最低，均小于400%。因此，采用單向超塑拉伸時(shí)，溫度920～940 ℃和高應(yīng)變速率1×10–3s–1時(shí)為最佳變形條件，變形溫度不宜超過980 ℃。

圖6 TA32合金在不同參數(shù)條件下的超塑延伸率Fig.6 Elongation of TA32 alloy at different deformation conditions

2.3 錐形件超塑脹形

圖7為錐形件超塑脹形后的結(jié)果，可知錐形件超塑脹形后外觀質(zhì)量良好，失效位置均位于變形量最大的錐頂。

圖7 超塑成形錐形件外觀Fig.7 Macro-morphologies of superplastic formed cone shape part

對(duì)不同溫度條件下錐形件的脹破壓力和高度進(jìn)行比較（圖8），由圖8（a）可見，隨著變形溫度的增加，錐形件脹破壓力逐漸減小，溫度為960 ℃和980 ℃時(shí)基本相同，均為0.6 MPa，溫度為920 ℃和940 ℃分別為1.1 MPa和1.0 MPa。然而，不同溫度下的錐形件的高度差別較大，在940 ℃和960 ℃時(shí)，錐形件的高度較高，分別為90 mm和92 mm，該結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)件的工藝設(shè)計(jì)具有很重要的參考價(jià)值。由圖8（c）可見，4個(gè)溫度條件下試件貼模后的壁厚變化呈線性減薄，接近錐頂位置未貼膜，壁厚減薄呈拋物線變化。

圖8 超塑成形錐形件成形結(jié)果Fig.8 Result of superplastic formed cone shape part

圖9為錐形件在940 ℃和980 ℃成形后不同位置的微觀組織，其中A1～A4變形量逐漸增大?？梢?，同一變形溫度下經(jīng)過不同變形量變形后的微觀組織變化并不顯著，均為細(xì)小等軸晶粒，且隨著變形溫度的升高，晶粒逐漸粗化，940 ℃和980 ℃成形后的平均晶粒尺寸分別約為9 μm和11 μm。

圖9 錐形件在不同位置的微觀組織Fig.9 Microstructures of cone shape part at different position

3 結(jié)論

（1）在920～960 ℃、應(yīng)變速率1×10–3～5×10–5s–1條件下，TA32合金板材具有良好的超塑性，采用單向超塑拉伸時(shí)，溫度920～940 ℃和高應(yīng)變速率1×10–3s–1時(shí)為最佳變形條件。

（2）隨著變形溫度的增加，錐形件脹破壓力逐漸減小，在960 ℃和980 ℃時(shí)最小，為0.6 MPa；在940 ℃和960 ℃時(shí)，錐形件的高度較高，分別為90 mm和92 mm；經(jīng)過不同變形量的變形后的微觀組織變化并不顯著，該結(jié)果為結(jié)構(gòu)件的工藝設(shè)計(jì)提供參考。