李雪飛，沙愛學(xué)，黃 旭，黃利軍

(北京航空材料研究院 先進(jìn)鈦合金航空科技重點實驗室，北京 100095)

0 引 言

TC27鈦合金是一種性能優(yōu)良的高強(qiáng)、高韌和高淬透性鈦合金，非常適合制造大型承力構(gòu)件，其綜合性能與國外已獲得批量應(yīng)用的高性能Ti55531合金相當(dāng)[1]。TC27鈦合金是TC18鈦合金的改進(jìn)型，其合金成分中用Nb元素代替Cr元素，使其具有更高的強(qiáng)度，能夠滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要更高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)部件的要求。與使用高強(qiáng)鋼相比，使用鈦合金能夠起到很好的減重效果[2]。優(yōu)異的性能使TC27鈦合金在航空航天、兵器、石油、化工和醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。但TC27鈦合金鑄態(tài)組織晶粒粗大，需通過一系列的熱加工處理，使其晶粒細(xì)化，以提高綜合使用性能。

熱加工圖是表征處理固有加工性好與壞的圖形。借助熱加工圖可以縮短加工工藝的探索周期，減小工作量，節(jié)約成本。目前熱加工圖已在多種金屬及其合金的熱變形行研究中得到應(yīng)用[4-8]。本研究以熱壓縮實驗為基礎(chǔ)，研究變形溫度和應(yīng)變速率對TC27鈦合金變形過程中流變應(yīng)力的影響。基于動態(tài)材料模型理論建立加工圖，通過加工圖與微觀組織演變分析相結(jié)合的方法優(yōu)化變形參數(shù)，為該合金的熱加工工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 實 驗

實驗材料為經(jīng)3次真空自耗熔煉的650 kg級TC27鈦合金鑄錠，名義成分為Ti-5Al-5Mo-5V-2Nb-1Fe，低倍組織和高倍組織如圖1所示。

圖1 TC27鈦合金鑄錠的低倍組織和顯微組織Fig.1 Macrostructure(a) and microstructure(b) of TC27 titanium alloy ingot

用線切割方法在鑄錠上切取φ8 mm×12 mm的熱壓縮試樣。采用感應(yīng)加熱式Thermecmaster-Z型熱/力模擬試驗機(jī)進(jìn)行熱壓縮實驗。變形溫度為900、950、1 000、1 050、1 100、1 150 ℃，變形速率為0.01、0.1、1、10 s-1，熱壓縮變形量為50%。熱壓縮試樣以10 ℃/s的速度升溫至變形溫度，保溫300 s。試樣熱壓縮后進(jìn)行水淬，以保留高溫變形組織。沿縱向中心線將試樣剖開制備成金相試樣，腐蝕后采用金相顯微鏡觀察其顯微組織。金相腐蝕液成分為10%HF+20%HNO3+70%H2O。

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

應(yīng)力-應(yīng)變曲線是在一定的變形速率和變形溫度下應(yīng)力對應(yīng)變的變化規(guī)律，它可以宏觀的表征出材料內(nèi)部顯微組織的變化過程。TC27鈦合金的熱壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 TC27鈦合金不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of TC27 titaniun alloy at different temperatures:(a)900 ℃；(b)950 ℃；(c)1 000 ℃；(d)1 050 ℃；(e)1 100 ℃；(f)1 150 ℃

從圖2可以看出，無論在何種溫度、何種應(yīng)變速率下，熱壓縮變形初始階段，達(dá)到應(yīng)力峰值前曲線的斜率很大，幾乎呈直線上升，此階段的應(yīng)力隨應(yīng)變的增加迅速增大，峰值應(yīng)力所對應(yīng)的應(yīng)變很小。出現(xiàn)此特征的原因是在外加應(yīng)力的作用下，材料發(fā)生塑性變形，內(nèi)部產(chǎn)生了大量的可動位錯，可動位錯受到塞積和纏結(jié)等障礙，阻礙位錯的繼續(xù)運(yùn)動，材料產(chǎn)生加工硬化等現(xiàn)象。當(dāng)變形達(dá)到一定程度時，流變應(yīng)力達(dá)到峰值。在峰值應(yīng)力后的一段應(yīng)變范圍內(nèi)，流變應(yīng)力隨應(yīng)變的增加會總體呈現(xiàn)下降趨勢。這是由于鈦合金的熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，塑性變形產(chǎn)生的熱量不能很快的傳導(dǎo)到外界，導(dǎo)致材料內(nèi)部溫度升高，使鈦合金材料的熱激活作用增強(qiáng)，原子動能增大，原子間的結(jié)合力減弱，從而降低材料的臨近剪切力，降低材料變形所需要的外力。另外，鈦合金塑性變形過程中動態(tài)再結(jié)晶也是導(dǎo)致動態(tài)軟化的原因之一。而在變形速率0.1 s-1條件下，由于加工硬化效果強(qiáng)于動態(tài)軟化效果，變形抗力隨應(yīng)變的增加而增強(qiáng)。隨著應(yīng)變的繼續(xù)增加，流變應(yīng)力趨于相對穩(wěn)定，這主要是由于加工硬化和動態(tài)軟化共同作用達(dá)到平衡的結(jié)果。在變形過程中，TC27鈦合金的流變應(yīng)力隨著溫度的增加而減小，隨著應(yīng)變速率的增加而增大。

2.2 加工圖及其分析

加工圖是以動態(tài)材料學(xué)模型為理論依據(jù)建立的，而動態(tài)材料學(xué)模型是基于大塑性變形的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、物理系統(tǒng)模擬和不可逆熱動力學(xué)等方面的基本原理建立的[9]。系統(tǒng)單位時間內(nèi)輸入到工件的總能量p主要消耗在2個方面，分別是耗散協(xié)量J和耗散量G。耗散協(xié)量J是工件在熱變形時發(fā)生諸如片狀組織動態(tài)球化、動態(tài)再結(jié)晶、相變及動態(tài)回復(fù)等組織演化過程所耗散的能量；耗散量G代表工件發(fā)生塑性變形時所耗散的能量，其中只有小部分的能量以晶體缺陷的狀態(tài)存儲，絕大部分能量轉(zhuǎn)化為熱能[10]。數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(1)

耗散協(xié)量J和耗散量G的比例由加工件在一定溫度和一定應(yīng)力下的應(yīng)變速率敏感指數(shù)m決定：

(2)

m值對理解能量分配和材料顯微組織的演化有指導(dǎo)意義，現(xiàn)對其進(jìn)行分析情況討論：當(dāng)m≤0時，系統(tǒng)沒有發(fā)生能量耗散；當(dāng)01時，材料可能會出現(xiàn)組織缺陷。

(3)

耗散協(xié)量J的微分可表示為：

(4)

則J表示為：

(5)

當(dāng)m=1時，材料處于理想線性耗散狀態(tài)。耗散協(xié)量J達(dá)到最大值，即:

(6)

根據(jù)式(5)和式(6)定義一個無量綱參數(shù)η，即功率耗散效率，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(7)

η值隨應(yīng)變速率和變形溫度構(gòu)成功率耗散圖，不同的功率耗散等值線圍成不同的區(qū)域，不同區(qū)域與微觀組織變形有直接的聯(lián)系，在高耗散效率值區(qū)域內(nèi)進(jìn)行塑性加工，通常能獲得較好的組織性能。

(8)

(9)

式中，系數(shù)a、b、c、d為一定溫度下的常數(shù)，采用多項式擬合求得a、b、c、d的值。將式(9)代入式(2)可計算出應(yīng)變速率敏感因子m的值：

(10)

圖3 TC27鈦合金的加工圖Fig.3 Processing map of TC27 titaniun alloy

2.3 微觀組織分析

TC27鈦合金經(jīng)900 ℃/0.01 s-1和1 050 ℃/0.01 s-1熱壓縮變形后的顯微組織如圖4所示。從圖4可以看出，經(jīng)過900 ℃/0.01 s-1變形后，組織變?yōu)榧?xì)小的片狀組織，分布雜亂無序，只發(fā)生動態(tài)回復(fù)，無再結(jié)晶組織出現(xiàn)。經(jīng)過1 050 ℃/0.01 s-1變形后，片狀組織完全消失，發(fā)生了再結(jié)晶轉(zhuǎn)變，再結(jié)晶晶粒尺寸在5～100 μm之間。因此，在變形溫度1 050 ℃、應(yīng)變速率0.01 s-1條件下，TC27鈦合金可得到性能優(yōu)良的變形組織。

圖4 TC27鈦合金熱壓縮后的金相照片F(xiàn)ig.4 Metallographs of TC27 titanium alloy after hot compression：(a)900 ℃/0.01 s-1；(b)1 050 ℃/0.01 s-1

3 結(jié) 論

(1)熱變形過程中，TC27鈦合金的流變應(yīng)力先隨應(yīng)變增加而迅速增大，達(dá)到峰值后隨應(yīng)變的增加而減小，最后趨于相對穩(wěn)定。

(2)TC27鈦合金熱加工圖中存在2個耗散峰值區(qū)，分別是900 ℃/0.01 s-1和1 050 ℃/0.01 s-1區(qū)域；2個失穩(wěn)區(qū)分別出現(xiàn)在900 ℃/0.1 s-1和1 050 ℃/0.1 s-1區(qū)域，熱變形時應(yīng)避免在失穩(wěn)區(qū)進(jìn)行，以免熱變形時材料開裂。

(3)TC27鈦合金在1 050 ℃/0.01 s-1區(qū)域變形時，組織發(fā)生再結(jié)晶，晶粒細(xì)化，能獲得性能優(yōu)良的變形組織。