片层组织 TC17钛合金高温变形行为研究

王 华,冀胜利,王凯旋,曾卫东

(1.海军装备部,陕西 西安 710021) (2.陕西宏远航空锻造有限责任公司,陕西 三原 713801) (3.西北工业大学材料学院,陕西 西安 710072)

片层组织 TC17钛合金高温变形行为研究

王 华1,冀胜利2,王凯旋3,曾卫东3

(1.海军装备部,陕西 西安 710021) (2.陕西宏远航空锻造有限责任公司,陕西 三原 713801) (3.西北工业大学材料学院,陕西 西安 710072)

通过热压缩试验研究了具有初始片层组织的 TC17钛合金在 780～860℃和应变速率 0.001～10 s-1范围内的热变形行为和组织演变。分析了该合金在两相区变形的应力 -应变曲线特征,其流变应力本构关系可以用双曲正弦方程和 Zener-Hollomon参数描述,得到 TC17合金在两相区变形的平均激活能为 488.86 kJ·mo l-1。显微组织分析发现:TC17合金在两相区变形时组织演变的主要特征是片层组织球化;热变形参数严重影响片层组织球化过程的进行,加大变形量、降低应变速率以及提高变形温度可以提高片状组织的动态球化程度。

TC17钛合金;片层组织;流变应力方程;动态球化

1 前 言

TC17(Ti-5A l-4M o-4C r-2Sn-2Zr)合金是一种富β稳定元素的α+β型两相钛合金,该合金具有强度高、断裂韧性好、淬透性高等优点,主要用于制造航空发动机风扇、压气机盘[1]。整体叶盘结构是高推比航空发动机的重要选择。航空发动机压气机盘各部位的服役环境差异很大,叶片部位和轮盘部位的性能要求不同。由于叶片要求高强度和高周疲劳性能,而轮盘要求高的断裂韧性和良好的高温性能。众所周知,等轴组织具有强度高、塑性好和良好的抗裂纹萌生能力等优点,但高温性能和断裂韧性较差;反之,片层组织具有良好的断裂韧性、抗裂纹扩展能力、高温持久强度、蠕变抗力等优点,但塑性和热稳定性较差。锻造整体式风扇盘和压气机盘件是通过在两相区热变形促使具有原始片层组织的坯料的不同部位组织发生不同程度的球化,从而得到理想组织分布以满足各部位性能的最佳匹配。因此,研究具有初始片层组织的 TC17合金在两相区变形的流变行为及组织演变,对于揭示 TC17合金两相区的变形机理、优化热变形工艺及精确控制微观组织具有重要意义。

2 实验材料与方法

采用金相法得到实验用 TC17合金的 (α+β)/β相变点为 905℃。经单相区改锻冷却得到的初始片层组织如图1所示,在粗大的原始β晶粒 (约为400μm)内细针状α相交织成网篮状,晶界α清晰,针状α和晶界α厚度分别约为0.5μm和 1.5μm。

恒温恒应变速率热压缩实验在 Gleeble-1500型热模拟试验机上进行。实验条件:变形温度分别为780,800,820,840,860℃;变形速率为 0.001, 0.01,0.1,1,10 s-1;变形程度分别为 15%,30%,45%,60%,75%。将试样(φ8mm×12mm)加热到预定温度后保温 5m in,变形后立即水冷以保留高温变形组织。将变形后的试样沿轴向线切割剖开,按照常规方法制备金相试样。利用场发射扫描电镜SUPRATM55进行组织观察。

3 结果与分析

3.1 应力 -应变曲线特征

实验得到的 TC17钛合金在两相区热压缩的典型流变应力 -应变曲线见图2,其他参数条件下的流动应力 -应变曲线可见文献[2]。变形开始,应力随着应变急剧增加,发生应变硬化;在较小的应变(0.02～0.07)下应力达到峰值;而后应力随着应变增加逐渐降低,发生流变软化并逐渐趋于稳定状态。起始阶段的应变硬化是由于位错迅速增殖并发生交互作用的结果,最后的稳态变形则表明微观组织达到一种相对稳定状态。一般认为应力软化现象与变形过程中的温升效应和片层组织的球化有关[3-4]。此外,在高温高应变速率 (10 s-1)下发生了不连续屈服现象。

图2 TC17合金在 820℃下的典型流动应力 -应变曲线Fig.2 Typical stress-strain curves of TC17 alloy at820℃

还可看出:相同变形温度下,不仅应力随着应变速率的增大而增大,而且随着应变速率的增大,应力峰值前后应力的硬化率和软化率也逐渐增大,应力峰形状也变得越尖,说明 TC17合金在两相区的热变形应力对应变速率敏感。

3.2 本构关系的建立

高温塑性变形是一个热激活过程,在热变形过程中材料的高温流变应力强烈取决于应变速率和变形温度。热变形过程中的流变应力一般可以通过以下 3种形式的Arrhenius方程表示[5]。

低应力水平时:

高应力水平时:

整个应力范围(双曲正弦方程):

式中,A1,A2,A,n1,n,α,β均为与温度无关的常数,A为结构因子 (s-1),n为应力指数,α为应力水平参数 (M Pa-1);R为气体常数;T为变形温度;α,β和 n之间满足α=β/n;Q为变形激活能; σ可表示峰值应力或稳态流变应力 (M Pa),或为指定应变量所对应的流变应力。

变形温度和应变速率的关系也可用温度补偿的变形速率因子 Zener-Ho llomon参数 Z来表示[6]:

根据式(4)可得到:

由此,可将流变应力表达为 Z-H参数的函数:

通过对实验数据分析发现,式 (3)所示的双曲正弦形式的 A rrhenius方程可以较好的反映 TC17合金流变应力的变化规律。图3～5为实验数据按照式(3)和式(4)的处理结果。可以看出,各种参数实验下 ln[sinh(ασ)]与 lnε·、1/T和 ln Z之间呈现较好的线性关系。将实验数据按式 (3)形式进行回归分析,可以确定α值为 0.004 42,平均热变形激活能Q为 488.86 kJ·mol-1。变形激活能 Q通常和激活焓ΔH相等,它提供了速率控制机制中原子重排难易程度的有关信息,其大小反映了合金热变形过程中位错开动、回复和再结晶进行的难易程度。在两相区的高变形激活能值可能与变形中发生动态 (几何)再结晶或者动态球化有关[7]。

根据式(3),依多元线性回归方法求解系数得:

由 Z-H参数表示的本构关系:

3.3 TC17钛合金在变形过程中的组织演变

图6为在 780℃,应变速率为 0.001 s-1,变形程度分别为 30%和 75%的显微组织。当变形量为 30%时,片状α相仍保持了原来的网篮状分布,球化α相极少。这是因为钛合金中片层组织结构具有很强的热力学稳定性,改变片层组织的形态需要一定的临界应变量[8]。变形量为 75%时,片状α相的长度明显减小,球化α相的比例显著增大,α相的网篮状分布逐渐被破坏,平行于压缩轴方向的α相率先球化。大变形使得合金的变形畸变能增大,片状α相中缺陷 (小角度晶界、大角度晶界、剪切带和孪晶等)增多,易于发生动态球化。此外,变形量越大,条状α相受到流变应力切断的数量越多,从而为动态球化提供更多的形核机会。

图3 TC17钛合金流变应力与应变速率的关系Fig.3 Relationship between flow stress and stain rates for TC17 alloy

图4 TC17钛合金流变应力与变形温度的关系Fig.4 Relationship between flow stress and temperatures for TC17 alloy

图7为在 840℃,应变速率分别为 10 s-1和0.001 s-1,变形程度为 45%条件下变形后的 SEM照片。可以看出随着应变速率的降低,条状α相的球化更为显著。这说明应变速率对片层状组织的球化进程影响显著,应变速率越慢,α相球化越充分。这主要是因为低应变速率给予动态球化相对充分的时间。

图5 TC17钛合金流变应力与 Z参数的关系Fig.5 Relationship between flow stress and Z parameter for TC17 alloy

图6 TC17钛合金经不同程度变形后的 SEM照片: (a)30%变形;(b)75%变形Fig.6 SEM micrographs of TC17 alloy under different degree: (a)30%height reduction;(b)75%height reduction

图7 TC17钛合金经不同应变速率变形后的 SEM照片: (a)10 s-1; (b)0.001 s-1Fig.7 SEM micrographs of TC17 alloy under different strain rate: (a)10 s-1; (b)0.001 s-1

图8为 TC17钛合金在 860℃,应变速率为0.001 s-1,变形程度为 75%条件下变形后的 SEM照片。可以看到,α相已完全球化。相比较低变形温度 (图6)的组织,可以发现变形温度对片状α相的球化进程影响显著,温度越高球化过程进行的越快。

图8 TC17钛合金在 860℃,应变速率为 0.001 s-1,变形程度75%条件下变形后的 SEM照片Fig.8 SEM micrograph of TC17 alloy at860℃,0.001 s-1, 75%height reduction

4 结 论

(1)TC17钛合金两相区变形的应力 -应变曲线特征为:变形开始,应力随着应变的增加急剧增加,发生加工硬化;在较小的应变下(0.02～0.07),应力达到峰值;而后应力随着应变的增加逐渐降低,发生软化;随着应变的进一步增加,应力的软化率逐渐下降,逐渐趋于稳定状态。热变形应力对应变速率敏感。

(2)TC17钛合金两相区变形时流变应力本构关系满足双曲正弦模型,亦可用包含 Z-H参数的关系模型描述其流变行为。计算得到 TC17钛在两相区变形的激活能为 488.86 kJ·mo l-1,高激活能与片状组织的球化有关。

(3)变形程度、变形速率、变形温度等热变形参数对 TC17钛合金的片状组织的动态球化过程有重要影响。加大变形量、降低应变速率以及提高变形温度可以提高片状组织的动态球化程度。

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Hot Deformation Behavior and Microstructure Evolution of TC 17 Titanium Alloy

Wang Hua1,Ji Shengli2,Wang Kaixuan3,Zeng Weidong3
(1.Equipment Department of the Navy,Xi'an 710021,China) (2.Shaanxi Hongyuan Aviation Forging Industry Co.,Ltd.,Sanyuan 713801,China) (3.Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,China)

The hot deformation behavior and microstructure evolution of TC17 titanium alloy with initial lamellar structure were studied in the temperature range 780～860℃and strain rate range 0.001～10 s-1by hot compression tests.Characteristics of Stress strain curves of the alloy deformed with the test parameters were analyzed.The constitutive relation of TC17 titanium alloy under high temperature conditions can be described by hyperbolic-sine-type equation and Zener-Hollomon parameter,and the deforming activation energies inα+β phase field is488.86 kJ·mo l-1. The main evolution character of the microstructure is the globularization of lamellar,and the degree of dynamic globularization of lamellar increases with increasing strains,increasing temperature and decreasing strain rate.

TC17 titanium alloy;lamellar microstructure;flow stress equation;globularization

2010-09-15

国家 973计划资助项目(2007CB613807);新世纪优秀人才支持计划(NCET-07-0696);凝固技术国家重点实验室开放课题(35-TP-2009)

王华(1978-),男,硕士研究生,工程师,电话:029-86150821。