王耀奇， 侯紅亮， 牛 勇

(1.北京航空制造工程研究所，北京100024;2.西北工業(yè)大學材料學院，西安710072)

鈦合金氫處理是利用氫的可逆合金化作用，通過合理控制合金中的氫含量及其存在狀態(tài)，在不改變材料整體狀態(tài)的前提下，形成有利于改善加工性能的組織結構，改善鈦合金加工性能的一項新技術，近些年，受到國內外學者的廣泛關注，在置氫組織轉變、置氫塑性加工、切削加工、連接加工以及粉末固結加工等方面均取得了重要的研究進展［1～7］，證明了該技術的有效性與適用性。

TC21鈦合金是我國自行研制的一種新型兩相高強高韌高損傷容限型鈦合金，可作為重要的結構材料應用于航空航天領域［8，9］。研究顯示，氫對TC21鈦合金的熱變形行為有重要的影響，在0.2%～0.3%氫含量范圍內，800℃熱變形時，穩(wěn)態(tài)變形抗力最大可降低28%，極大地改善了其熱加工性能。本工作在前期研究的基礎上，通過置氫處理獲得氫含量為0.28%的TC21鈦合金，利用微觀分析，研究了氫對其組織結構的影響，通過熱模擬壓縮實驗，深入研究了其高溫變形行為，為揭示氫改善TC21鈦合金的變形機理奠定基礎。

1 實驗材料及方法

實驗材料為西北有色金屬研究院制備的退火態(tài)TC21鈦合金棒材，其直徑為14mm。試樣經表面處理，置入自制的管式氫處理爐內，采用固態(tài)充氫法在750℃條件下進行置氫實驗，獲得氫含量為0.28%的置氫TC21鈦合金，表示為TC21-0.28%H，采用高精度天平通過稱重法測量試樣的氫含量，高精度物理天平的感量為1×10-5g。利用連續(xù)升溫金相法測試TC21-0.28%H鈦合金的相變溫度為840℃。

采用OLYMPUS BX41M光學顯微鏡觀察置氫前后的微觀組織，利用XRD分析置氫前后的相成分，在Gleeble-1500D熱模擬機上TC21-0.28%H鈦合金進行等溫恒應變速率熱模擬壓縮實驗，實驗溫度分別為800℃，840℃，880℃和920℃，應變速率分別為0.01s-1，0.1s-1和1s-1，壓縮變形量為50%，試樣的尺寸規(guī)格為φ8 mm×12mm。

2 實驗結果與分析

2.1 微觀組織轉變

TC21鈦合金置氫前后的微觀組織與XRD圖譜如圖1和圖2所示。結果顯示，置氫前，TC21鈦合金為初生α相與β轉變組織組成的混合型組織，并且XRD分析表明，TC21鈦合金由α相與少量β相組成;置氫后，α相與β相難以分辨，這是因為置氫后α相與β相電位差相近，導致侵蝕程度接近所致［10，11］。XRD分析表明，置氫后β相的衍射峰增強，說明β相比例增加，并且β相的衍射峰向低角度方向移動，與Ti6Al4V鈦合金置氫后XRD分析結果一致［12］，而α相的衍射峰卻沒有明顯變化，證明氫在β相中引起的晶格畸變要遠大于α相中的晶格畸變，因此氫在β相中的固溶強化效果顯著，此外，在XRD圖譜中還觀察到馬氏體α″與氫化物δ的衍射峰，說明置氫后合金中形成了馬氏體α″與氫化物δ相。

2.2 應力-應變關系

TC21-0.28%H鈦合金在不同變形條件下的應力-應變關系如圖3所示。當變形溫度低于840℃，應變速率在0.01～1s-1時，TC21-0.28H%鈦合金的應力-應變關系呈現(xiàn)動態(tài)回復特征，流動應力經過比較明顯的加工硬化達到最大值后，加工硬化與流變軟化相平衡，曲線基本處于平穩(wěn)狀態(tài)。當變形溫度高于840℃，應變速率在0.01～1s-1時，流變應力曲線同樣表現(xiàn)為動態(tài)回復特征，但應變速率在0.1～1s-1時，TC21-0.28H%鈦合金的流動應力經過最大值后，突然出現(xiàn)流變“軟化”現(xiàn)象，流動應力驟然降低，這是因為在變形過程中，位錯運動速率快，容易被溶質原子釘扎，隨著變形量的增加，位錯塞積越來越嚴重，導致應力集中，到一定程度時合金便會向有利的方向上繼續(xù)變形，導致應力急劇降低，在其他種類鈦合金的熱變形中也觀察過類似的現(xiàn)象［13］。

2.3 高溫變形的本構方程

金屬的熱變形過程中，其應變速率、變形溫度對流動應力的影響可用Arrhenius方程表示:

其中:ˉε為應變速率，s-1;Q為變形激活能，kJ· mol-1;R為氣體常數(shù)，R=8.3145J·mol-1·K-1;σ是流動應力，MPa;T是變形溫度，K;A是材料常數(shù); n是應力指數(shù)。

圖3 不同溫度條件下的應力-應變關系Fig.3 The flow stress-strain curves at various temperature (a)800℃;(b)840℃;(c)880℃;(d)920℃

T一定時，對lnσ求偏導，得出:

并且應變速率敏感指數(shù)m=1/n。

對不同溫度、不同應變速率條件下的穩(wěn)態(tài)流動應力取對數(shù)，分別以ln(ˉε)和1/T為橫坐標，繪制ln(σ)-ln(ˉε)曲線及l(fā)n(σ)-1/T曲線，如圖4，圖5所示。結果顯示，TC21-0.28%H鈦合金的穩(wěn)態(tài)流動應力與應變速率的雙對數(shù)曲線滿足線性關系，隨著應變速率的增加，穩(wěn)態(tài)流動應力增加，通過線性擬合獲得每條曲線的斜率，由公式4可知，該斜率即為該溫度下的m值，可見，隨著溫度的升高，m值增加。穩(wěn)態(tài)流動應力的對數(shù)與溫度的倒數(shù)并不是簡單的線性關系，說明在試驗溫度范圍內熱變形激活能并不唯一，TC21-0.28%H鈦合金的相變溫度為840℃，以0.89847(相變溫度的倒數(shù))為分界線，在該分界線的左右兩側，穩(wěn)態(tài)流動應力的對數(shù)與溫度的倒數(shù)均呈線性關系，隨著變形溫度的降低，穩(wěn)態(tài)流動應力升高，通過線性擬合獲得每條曲線的斜率。利用公式(3)和(4)，計算α+β相區(qū)與β相區(qū)的激活能，分別為233kJ/mol與158kJ/mol。馮亮在研究TC21鈦合金的高溫變形過程中顯示，TC21鈦合金在α+ β相區(qū)與 β相區(qū)的激活能分別為331kJ/mol與 176kJ/mol［14］，可見置氫后變形激活能降低，因此，在相同條件下，與TC21鈦合金相比，TC21-0.28%H鈦合金更易于加工，加工性能得到改善。TC21-0.28%H鈦合金在800～840℃和840～920℃時的塑性流動本構方程如下。

800℃≤T＜840℃，α+β相區(qū):

ˉε=e-0.23030σ4.91111exp(-233000/RT)

840℃≤T≤920℃，β相區(qū):

ˉε=e-4.04582σ4.01762exp(-158000/RT)

圖4 ln(σ)-ln(ˉε)曲線Fig.4 Plots of ln(σ)versus ln(ˉε)

圖5 ln(σ)-1/T曲線Fig.5 Plots of ln(σ)versus 1/T

一般認為，當材料的變形激活能與其自擴散激活能相近時，動態(tài)回復為主要軟化機制，變形是以擴散控制為主，而當變形激活能大大高于自擴散激活能時，材料的熱變形則是動態(tài)回復以外的機制起作用，可能會發(fā)生動態(tài)再結晶，變形機制以位錯運動為主。

TC21-0.28%H鈦合金在相變溫度(840℃)以下變形時，α相含量較多，并且經計算顯示其變形激活能為233kJ/mol，與 α鈦合金的自擴散激活能150kJ/mol［15，16］接近，因此 α相的動態(tài)回復為主要軟化機制，變形是以擴散控制為主，與應力-應變關系結果一致，如圖3a所示。在相變溫度以上變形時，TC21-0.28%H鈦合金以β相為主，計算顯示其變形激活能為158kJ/mol，與β鈦合金的自擴散激活能153kJ/mol［15，16］接近，可見β相的動態(tài)回復是其主要軟化機制，變形是以擴散控制為主，與應力-應變關系結果相一致，如圖3b～3d所示。

3 結論

(1)與TC21鈦合金相比，TC21-0.28%H鈦合金β相比例顯著增加，氫在β相中誘發(fā)的固溶強化效果比α相中明顯，并且有新相馬氏體α″與氫化物δ生成，上述組織結構的變化決定了TC21-0.28%H鈦合金的變形行為。

(2)建立了 TC21-0.28%H鈦合金在800～840℃和840～920℃時的塑性流動本構方程。

(3)TC21-0.28%H鈦合金在α+β相區(qū)的變形激活能為233kJ/mol，軟化機制為α相的動態(tài)回復，在β相區(qū)的變形激活能為153kJ/mol，軟化機制為β相動態(tài)回復。

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