TC21-0.28%H钛合金微观组织及其高温变形行为研究

王耀奇， 侯红亮， 牛 勇

(1.北京航空制造工程研究所，北京100024;2.西北工业大学材料学院，西安710072)

钛合金氢处理是利用氢的可逆合金化作用，通过合理控制合金中的氢含量及其存在状态，在不改变材料整体状态的前提下，形成有利于改善加工性能的组织结构，改善钛合金加工性能的一项新技术，近些年，受到国内外学者的广泛关注，在置氢组织转变、置氢塑性加工、切削加工、连接加工以及粉末固结加工等方面均取得了重要的研究进展［1～7］，证明了该技术的有效性与适用性。

TC21钛合金是我国自行研制的一种新型两相高强高韧高损伤容限型钛合金，可作为重要的结构材料应用于航空航天领域［8，9］。研究显示，氢对TC21钛合金的热变形行为有重要的影响，在0.2%～0.3%氢含量范围内，800℃热变形时，稳态变形抗力最大可降低28%，极大地改善了其热加工性能。本工作在前期研究的基础上，通过置氢处理获得氢含量为0.28%的TC21钛合金，利用微观分析，研究了氢对其组织结构的影响，通过热模拟压缩实验，深入研究了其高温变形行为，为揭示氢改善TC21钛合金的变形机理奠定基础。

1 实验材料及方法

实验材料为西北有色金属研究院制备的退火态TC21钛合金棒材，其直径为14mm。试样经表面处理，置入自制的管式氢处理炉内，采用固态充氢法在750℃条件下进行置氢实验，获得氢含量为0.28%的置氢TC21钛合金，表示为TC21-0.28%H，采用高精度天平通过称重法测量试样的氢含量，高精度物理天平的感量为1×10-5g。利用连续升温金相法测试TC21-0.28%H钛合金的相变温度为840℃。

采用OLYMPUS BX41M光学显微镜观察置氢前后的微观组织，利用XRD分析置氢前后的相成分，在Gleeble-1500D热模拟机上TC21-0.28%H钛合金进行等温恒应变速率热模拟压缩实验，实验温度分别为800℃，840℃，880℃和920℃，应变速率分别为0.01s-1，0.1s-1和1s-1，压缩变形量为50%，试样的尺寸规格为φ8 mm×12mm。

2 实验结果与分析

2.1 微观组织转变

TC21钛合金置氢前后的微观组织与XRD图谱如图1和图2所示。结果显示，置氢前，TC21钛合金为初生α相与β转变组织组成的混合型组织，并且XRD分析表明，TC21钛合金由α相与少量β相组成;置氢后，α相与β相难以分辨，这是因为置氢后α相与β相电位差相近，导致侵蚀程度接近所致［10，11］。XRD分析表明，置氢后β相的衍射峰增强，说明β相比例增加，并且β相的衍射峰向低角度方向移动，与Ti6Al4V钛合金置氢后XRD分析结果一致［12］，而α相的衍射峰却没有明显变化，证明氢在β相中引起的晶格畸变要远大于α相中的晶格畸变，因此氢在β相中的固溶强化效果显著，此外，在XRD图谱中还观察到马氏体α″与氢化物δ的衍射峰，说明置氢后合金中形成了马氏体α″与氢化物δ相。

2.2 应力-应变关系

TC21-0.28%H钛合金在不同变形条件下的应力-应变关系如图3所示。当变形温度低于840℃，应变速率在0.01～1s-1时，TC21-0.28H%钛合金的应力-应变关系呈现动态回复特征，流动应力经过比较明显的加工硬化达到最大值后，加工硬化与流变软化相平衡，曲线基本处于平稳状态。当变形温度高于840℃，应变速率在0.01～1s-1时，流变应力曲线同样表现为动态回复特征，但应变速率在0.1～1s-1时，TC21-0.28H%钛合金的流动应力经过最大值后，突然出现流变“软化”现象，流动应力骤然降低，这是因为在变形过程中，位错运动速率快，容易被溶质原子钉扎，随着变形量的增加，位错塞积越来越严重，导致应力集中，到一定程度时合金便会向有利的方向上继续变形，导致应力急剧降低，在其他种类钛合金的热变形中也观察过类似的现象［13］。

2.3 高温变形的本构方程

金属的热变形过程中，其应变速率、变形温度对流动应力的影响可用Arrhenius方程表示:

其中:¯ε为应变速率，s-1;Q为变形激活能，kJ· mol-1;R为气体常数，R=8.3145J·mol-1·K-1;σ是流动应力，MPa;T是变形温度，K;A是材料常数; n是应力指数。

图3 不同温度条件下的应力-应变关系Fig.3 The flow stress-strain curves at various temperature (a)800℃;(b)840℃;(c)880℃;(d)920℃

T一定时，对lnσ求偏导，得出:

并且应变速率敏感指数m=1/n。

对不同温度、不同应变速率条件下的稳态流动应力取对数，分别以ln(¯ε)和1/T为横坐标，绘制ln(σ)-ln(¯ε)曲线及ln(σ)-1/T曲线，如图4，图5所示。结果显示，TC21-0.28%H钛合金的稳态流动应力与应变速率的双对数曲线满足线性关系，随着应变速率的增加，稳态流动应力增加，通过线性拟合获得每条曲线的斜率，由公式4可知，该斜率即为该温度下的m值，可见，随着温度的升高，m值增加。稳态流动应力的对数与温度的倒数并不是简单的线性关系，说明在试验温度范围内热变形激活能并不唯一，TC21-0.28%H钛合金的相变温度为840℃，以0.89847(相变温度的倒数)为分界线，在该分界线的左右两侧，稳态流动应力的对数与温度的倒数均呈线性关系，随着变形温度的降低，稳态流动应力升高，通过线性拟合获得每条曲线的斜率。利用公式(3)和(4)，计算α+β相区与β相区的激活能，分别为233kJ/mol与158kJ/mol。冯亮在研究TC21钛合金的高温变形过程中显示，TC21钛合金在α+ β相区与 β相区的激活能分别为331kJ/mol与 176kJ/mol［14］，可见置氢后变形激活能降低，因此，在相同条件下，与TC21钛合金相比，TC21-0.28%H钛合金更易于加工，加工性能得到改善。TC21-0.28%H钛合金在800～840℃和840～920℃时的塑性流动本构方程如下。

800℃≤T＜840℃，α+β相区:

¯ε=e-0.23030σ4.91111exp(-233000/RT)

840℃≤T≤920℃，β相区:

¯ε=e-4.04582σ4.01762exp(-158000/RT)

图4 ln(σ)-ln(¯ε)曲线Fig.4 Plots of ln(σ)versus ln(¯ε)

图5 ln(σ)-1/T曲线Fig.5 Plots of ln(σ)versus 1/T

一般认为，当材料的变形激活能与其自扩散激活能相近时，动态回复为主要软化机制，变形是以扩散控制为主，而当变形激活能大大高于自扩散激活能时，材料的热变形则是动态回复以外的机制起作用，可能会发生动态再结晶，变形机制以位错运动为主。

TC21-0.28%H钛合金在相变温度(840℃)以下变形时，α相含量较多，并且经计算显示其变形激活能为233kJ/mol，与 α钛合金的自扩散激活能150kJ/mol［15，16］接近，因此 α相的动态回复为主要软化机制，变形是以扩散控制为主，与应力-应变关系结果一致，如图3a所示。在相变温度以上变形时，TC21-0.28%H钛合金以β相为主，计算显示其变形激活能为158kJ/mol，与β钛合金的自扩散激活能153kJ/mol［15，16］接近，可见β相的动态回复是其主要软化机制，变形是以扩散控制为主，与应力-应变关系结果相一致，如图3b～3d所示。

3 结论

(1)与TC21钛合金相比，TC21-0.28%H钛合金β相比例显著增加，氢在β相中诱发的固溶强化效果比α相中明显，并且有新相马氏体α″与氢化物δ生成，上述组织结构的变化决定了TC21-0.28%H钛合金的变形行为。

(2)建立了 TC21-0.28%H钛合金在800～840℃和840～920℃时的塑性流动本构方程。

(3)TC21-0.28%H钛合金在α+β相区的变形激活能为233kJ/mol，软化机制为α相的动态回复，在β相区的变形激活能为153kJ/mol，软化机制为β相动态回复。

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