武小茜，趙洪川，岳婷婷，沈儒風，周舸，張浩宇

Ti?6Mo?5V?3Al?2Fe?2Zr合金熱變形行為及熱加工圖

武小茜，趙洪川，岳婷婷，沈儒風，周舸，張浩宇

（沈陽工業(yè)大學 材料科學與工程學院，沈陽 110870）

鈦合金；熱變形；流變應力；本構方程；熱加工圖

我國陸上油氣田開采大多屬于深井、超深井或水平井開采，鉆采困難，鉆探設備使役環(huán)境惡劣，這對承載鉆頭的鉆桿材料性能提出了很高要求[1]。相比于傳統不銹鋼材料，近β鈦合金具有比強度高、抗腐蝕優(yōu)異及彈性模量低等特征[2-5]，其在油氣田鉆桿上的應用得到了快速增長。近β鈦合金工件大都需要經過熱變形來成形，在熱加工過程中將發(fā)生動態(tài)回復或動態(tài)再結晶等，繼而對合金的顯微組織產生巨大影響。特別是決定了β晶粒尺寸的大小，且β晶粒在后續(xù)熱處理過程中難以再次被細化，因而對近β鈦合金熱變形行為的研究非常必要。熱變形本構方程及熱加工圖是研究合金熱變形行為的重要手段[6-7]。夏麒帆等[8]研究了在不同變形條件下TC4鈦合金的熱變形行為，建立了合金的本構方程，并構建了熱加工圖。王曉康等[9]對TC17鈦合金進行了熱變形過程中本構方程和熱加工圖的建立，準確描述了TC17在高溫變形時的穩(wěn)態(tài)區(qū)及非穩(wěn)態(tài)區(qū)。Vinjamuri等[10]研究了Ti?6Al?4V合金在高溫下壓縮變形過程中的微觀結構與力學性能。肖寒等[11]采用Arrhenius方程建立了鑄態(tài)TC4鈦合金熱變形的流變應力方程，并能較好地預測不同變形條件所對應的流變應力。Aneta[12]用熱加工圖系統研究了Ti?3Al?8V?6Cr?4Zr?4Mo合金，使用動態(tài)方法建立了熱加工圖材料模型（Dynamic Material Model，DMM），以準確描述穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)區(qū)域合金的高溫變形行為，發(fā)現不同的亞穩(wěn)態(tài)β合金在不同變形條件下表現出不同的熱變形行為。可見，通過建立本構方程、構建熱加工圖，可為調控熱變形工藝參數提供依據與參考。

Ti?6Mo?5V?3Al?2Fe?2Zr合金是一種新型的近β鈦合金，該合金經過固溶、時效等熱處理工藝后，抗拉強度可達1 400 MPa以上，但此時的斷后伸長率僅有4%[13]。造成其塑性較差的主要原因是在熱處理前的熱變形過程中加工參數選擇不佳，導致β晶粒異常生長。這種強塑性的嚴重不匹配限制了該合金的進一步應用。為此，基于不同熱變形工藝參數下熱壓縮實驗獲得的真應力–應變曲線，建立合金的熱變形本構方程，計算熱變形激活能，構建該合金的熱加工圖，對合金熱變形機制及流變失穩(wěn)區(qū)進行分析，以期為該合金在實際生產過程中熱加工工藝參數的制定提供參考。

1 實驗方法

實驗所用材料為近β鈦合金Ti?6Mo?5V?3Al? 2Fe?2Zr（質量分數，下同）。利用線切割于合金鑄錠上切取尺寸為10 mm×15 mm的圓柱形試樣，用砂紙將表面打磨至光亮，以去除氧化皮與加工痕跡。熱壓縮實驗采用Gleeble?3800型熱模擬試驗機。在實驗過程中，將熱電偶與試樣表面相連以實時反饋熱壓縮過程中試樣的溫度。采用真空感應方式對試樣進行加熱，升溫速率為10 ℃/s，保溫時間為5～10 min。為保留熱壓縮完成時的高溫組織，將熱壓縮后的試樣立即水淬。具體參數變形溫度為700、750、800、850 ℃，應變速率為0.000 5、0.005、0.05、0.5 s?1，真應變量為0.7。將實驗結果利用Origin軟件分析以獲得真應力–應變曲線。

2 結果與分析

2.1 真應力?應變曲線

通過熱壓縮實驗所獲得的Ti?6Moc5V?3Al?2Fe? 2Zr合金在不同應變速率和不同溫度下的真應力–應變曲線見圖1?？梢?，在溫度一定時，隨著應變速率升高，流變應力逐漸增大。而當應變速率一定時，隨著溫度升高，流變應力呈減小趨勢。這是由于當應變速率升高時，位錯密度增加，易產生位錯纏結，使交互作用增強、運動阻力增大，從而使外加應力增大[14]。在高溫下，材料的軟化機制主要為動態(tài)回復和動態(tài)再結晶，加工硬化效應隨之減弱。同時，原子熱振動幅度隨著溫度的升高而提高，原子間的結合力降低，位錯運動加強，可開動滑移系增多，進而出現流變應力降低的現象[15]。

在變形初期，真應力增長較快，且曲線斜率較大。在初始壓縮時形變強化占主導，位錯密度和位錯塞積增加，流變應力迅速增大。在達到峰值應力后，流變應力變化則趨于穩(wěn)定，曲線由彎曲逐漸平坦化。隨著應變的連續(xù)增加，動態(tài)軟化對合金變形加劇影響，在圖1中表現為曲線下降，即流變應力逐漸降低，直至加工硬化與軟化作用相互抵消，達到動態(tài)平衡，曲線則趨于平穩(wěn)，斜率幾乎不再變化[16-17]。

在0.5 s?1的高應變速率下均有明顯的峰值應力，之后迅速軟化，流變應力降低到一定水平后，應力又隨應變增加有不同程度的升高。這說明不同階段的動態(tài)再結晶過程存在一定的差異[18]。但在小于0.5 s?1的較低應變速率下沒有明顯的峰值應力。這主要是由于相對于高應變速率，在低應變速率下的變形時間較長，試樣有充分的時間進行動態(tài)再結晶[19]。

2.2 熱變形流變應力本構方程

在金屬材料發(fā)生高溫塑性變形時，金屬原子發(fā)生劇烈運動，可以視為熱激活的過程[20]。由圖1可知，隨應變量增加，真應力在快速增長后趨于平穩(wěn)或緩慢變化，表現出穩(wěn)態(tài)流變的特征?？捎肁rrhenius方程表示合金在不同工藝條件下的熱變形行為[19,21]，見式（1）—（3）。

對式（1）—（3）兩邊取對數可得式（4）—（5）。

對式（6）求偏導可得式（7）。

為了描述金屬高溫流變應力，Zener和Hollomon[22]定義了Zener–Hollomon函數，見式（8），其函數關系用符號表示。同時，也遵循關系式（9）[23]，聯立式（8）—（9），取對數得式(10)。

采用Arrhenius雙曲正弦方程描述Ti?6Mo?5V? 3Al?2Fe?2Zr合金的變形行為，可得其本構方程見式（11）。

Ti?6Mo?5V?3Al?2Fe?2Zr合金作為一種近β鈦合金，計算所得的熱變形激活能=226.29 kJ/mol，大于純β鈦的自擴散激活能161 kJ/mol。該結果表明，動態(tài)再結晶（DRX）為其主要的軟化機制[24]。

2.3 流動應力模型驗證

為證明所得本構方程的合理性，驗證其是否能準確反映出該合金的熱變形行為，將式（9）整理成關于應力的函數，見式（12）。

圖2 流變應力與不同熱變形參數的關系

圖3 線性擬合關系

代入各參數數據得式（13）。

將相應的值代入式（13）可求得對應條件下的峰值應力。將峰值應力的計算值與實驗值進行對比，用誤差相關系數（）與平均相對誤差（AARE）表示誤差，見式（14）—（15）。

利用本構方程所求應力值與實際值的對比圖見圖4。計算值與實際值之間的誤差相關系數=0.990 6，向式（15）代入相應數據可得AARE=4.21%，這說明建立的本構方程準確性較高，能夠較好地描述Ti?6Mo?5V?3Al?2Fe?2Zr合金的熱變形行為。

2.4 熱加工圖

Prasad等[25]提出了動態(tài)材料模型（DMM），將塑性變形過程視為一個能量耗散系統，描述了外應力做功產生的能量如何通過材料塑性變形進行耗散。在特定應變率下，材料吸收塑性變形所用的能量（）主要包括兩部分，一是材料變形過程的結構變化所耗散的能量（），二是材料塑性變形過程所消耗的能量（）。其關系見式（16）。

圖4 流變應力計算值誤差分析

材料的流變特性決定了和之間的分布，二者比值為應變速率敏感指數，見式（17）。

為排除流變失穩(wěn)區(qū)中出現高值的情況，Prasad基于Ziegler的最大熵產生率原理提出了流變失穩(wěn)判據，見式（19）。當為負值時，則表示晶體內部出現失穩(wěn)[26]。

在圖5c中，等高線數值為材料加工過程中的能量耗散系數，其值越大，越容易發(fā)生動態(tài)再結晶，則加工性能越好。圖5中灰色區(qū)域為流變失穩(wěn)區(qū)，合金若在此區(qū)域加工則存在失穩(wěn)的可能[27]，宏觀表現為試樣開裂。由圖5c可知，Ti?6Mo?5V?3Al?2Fe-2Zr合金主要有2個流變失穩(wěn)區(qū)，分別位于溫度700～755 ℃與784～850 ℃、應變速率0.5～0.05 s?1的范圍內，材料在該區(qū)域的變形過程中易產生絕熱剪切帶和微裂紋等缺陷。隨著溫度升高、應變速率減小，值增大。的最大值為48%，主要集中在溫度836～850 ℃、應變速率0.000 5～0.005 s?1的區(qū)域，說明此區(qū)域為最佳加工區(qū)；溫度700～836 ℃、應變速率0.000 5～0.005 s?1的區(qū)域雖然功率耗散系數略低，但不存在失穩(wěn)區(qū)，也可作為安全加工區(qū)域。

可見，基于Prasad失穩(wěn)準則Ti?6Mo?5V?3Al? 2Fe?2Zr合金的最佳加工工藝參數為變形溫度836～850 ℃、應變速率為0.000 5～0.005 s?1，加工時應避開變形溫度700～755 ℃與784～850 ℃、應變速率為0.5～0.05 s?1。

圖5 Ti?6Mo?5V?3Al?2Fe?2Zr合金加工圖

3 結語

1）在變形溫度700～850 ℃、應變速率0.000 5～ 0.5 s?1、真應變0.7的條件下，Ti?6Mo?5V?3Al?2Fe?2Zr合金的熱激活能為226.29 kJ/mol；當變形溫度恒定時，應力隨著應變速率的增加而逐漸增大；當應變速率恒定時，應力隨溫度的升高而逐漸降低。

3）該合金的熱加工圖主要存在2個流變失穩(wěn)區(qū)，其范圍為變形溫度700～755 ℃與784～850 ℃、應變速率0.5～0.05 s?1，加工時應避開此范圍。最佳熱加工工藝參數為變形溫度836～850 ℃、應變速率為0.000 5～ 0.005 s?1。

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Thermal Deformation Behavior and Processing Map of Ti-6Mo-5V-3Al-2Fe-2Zr Alloy

WU Xiao-xi, ZHAO Hong-chuan, YUE Ting-ting, SHEN Ru-feng, ZHOU Ge, ZHANG Hao-yu

(School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

titanium alloy; thermal deformation; flow stress; constitutive equation; thermal processing map

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.01.005

TG146.2

A

1674-6457(2023)01-0034-07

2022–03–22

2022-03-22

國家自然科學基金（52104379）；遼寧省“揭榜掛帥”科技攻關（2021JH1/10400069）；遼寧省大學生創(chuàng)新訓練計劃（S202110142013）

National Natural Science Foundation of China (52104379); Technological Tacking Project of Liaoning Province (2021JH1/ 10400069); Innovative Training Program for College students in Liaoning Province (S202110142013)

武小茜（2001—），女，本科生，主要研究方向為金屬材料工程。

WU Xiao-xi (2001-), Female, Undergraduate, Research focus: metal materials engineering.

張浩宇（1987—），男，博士，副教授，主要研究方向為高性能鈦合金設計及變形工藝。

ZHANG Hao-yu (1987-), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: design and deformation process of high performance titanium alloy.

武小茜, 趙洪川, 岳婷婷, 等. Ti?6Mo?5V?3Al?2Fe?2Zr合金熱變形行為及熱加工圖[J]. 精密成形工程, 2023, 15(1): 34-40.

WU Xiao-xi, ZHAO Hong-chuan, YUE Ting-ting, et al. Thermal Deformation Behavior and Processing Map of Ti-6Mo-5V-3Al- 2Fe-2Zr Alloy [J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(1): 34-40.