粉末冶金TiAl合金的热变形行为研究

刘 娜， 李 周， 袁 华， 许文勇， 张 勇， 张国庆

(北京航空材料研究院先进高温结构材料国防科技重点实验室，北京 100095)

TiAl合金由于其低密度、高比强、良好的抗氧化性等优异性能，在航空航天及汽车工业等领域具有十分广阔的应用前景［1～4］。但由于其铸造性能和机加工性能较差等严重制约了TiAl合金的实用化进程，而粉末冶金法(Powder Metallurgy，PM)可以使得这些问题得到根本性的解决。粉末冶金方法不仅能够消除宏观偏析，获得的组织细小均匀，而且可以实现复杂制件的近终成形，避免该材料的机加工困难，成为目前国内外材料研究领域的热点［5～7］。粉末冶金法制备TiAl合金主要有元素粉末法和预合金粉末法，随着制粉工艺的不断提高与完善，采用预合金粉末制备TiAl合金成为获得高质量的TiAl合金坯料的主要途径。

虽然如此，粉末冶金TiAl合金中仍然存在显微孔洞、夹杂等微观缺陷［8，9］，对材料的力学性能产生不利影响。研究表明，热加工过程可以消除这些微观缺陷，有效提高粉末冶金TiAl合金的性能。因此，研究粉末冶金TiAl合金的热变形行为具有重要的实际意义。目前对TiAl合金高温变形行为的研究多集中在铸造TiAl合金及元素粉末TiAl合金方面［10～12］，对预合金法 TiAl合金的相关研究较少，尤其是针对采用氩气雾化粉末制备的粉末冶金TiAl合金而言几乎是空白。由于制备工艺的不同，粉末冶金TiAl合金的原始坯料组织有较大差异，有必要专门对粉末冶金TiAl合金的热变形行为进行研究。

本研究针对采用氩气雾化预合金粉末热等静压制备的粉末冶金TiAl合金，通过热压缩模拟研究该合金的高温压缩变形行为，建立合金高温变形的本构模型，为制定合理的粉末冶金TiAl合金的热加工工艺起到指导作用。

1 实验材料与方法

实验用原料铸锭采用真空自耗电极熔炼制备，采用氩气雾化法得到TiAl预合金粉末。将筛分后的预合金粉末进行热等静压，最终得到φ60mm×90mm的TiAl合金锭。从TiAl合金热等静压坯锭中切取φ10mm×15mm圆柱形压缩试样，在Gleeble－3500热/力模拟试验机上进行高温压缩变形实验。为了保证试样在压缩过程中处于轴向应力状态，在试样两端面涂抹高温润滑剂以减小试样与压头间的摩擦力。试样以10℃/s的加热速率分别升温到1050，1100，1150，1200℃，保温 10min，然后分别以0.001，0.01，0.1s－1的恒定应变速率进行热压缩试验，变形量为50%。实验数据的采集由 Gleeble－3500设备的计算机采集系统完成。

2 实验结果与分析

2.1 粉末冶金TiAl合金的热变形性能

图1为粉末冶金TiAl合金的热加工窗口图，由图可以看出，合金在本实验采用的变形温度和应变速率范围内均没有出现开裂，变形完好。表明采用氩气雾化预合金制备的TiAl合金在温度≥1050℃和应变速率≤0.1s－1的加工条件下具有良好的热加工性。与中南大学的采用等离子旋转电极雾化粉末准等静压方法制备的粉末冶金Ti－46Al－2Cr－2Nb－0.2W－0.15B 合金相比［13］，本研究的 TiAl合金的可加工范围相对较宽，这可能与采用的原料粉末制备工艺与粉末致密化成形工艺有关，本研究热等静压制备的粉末冶金TiAl合金的最终氧含量为720ppm，致密度为99.6%。

图1 粉末冶金TiAl合金的热加工窗口图Fig.1 Deformation maps of PM TiAl alloy

2.2 粉末冶金TiAl合金的高温流变曲线

图2为粉末冶金TiAl合金在不同应变速率和变形温度下的真应力－真应变曲线。由图2可以看出，合金在热压缩过程中的流变行为表现为:在变形初期流变应力随着变形量的增加急剧增大，到达峰值应力后，流变应力随着变形量的增加逐渐减小，最终达到一个相对稳定的稳态应力。这种流变特征是变形过程中应变硬化与动态软化共同作用的结果。在变形的开始阶段，位错密度的不断提高增大了材料加工硬化的程度，导致了流变应力快速增加，随着变形量的增大，动态回复和动态再结晶逐渐增强，抵消了因位错增殖造成的加工硬化，直至到达峰值应力后，动态软化开始占据主导作用，流变应力下降，随着变形量的进一步增大，应变硬化与动态软化达到了动态平衡，则进入稳态流变阶段。

粉末冶金TiAl合金的流变应力对应变速率和变形温度非常敏感。根据图2中流变应力数据可知，在应变速率 0.1s－1条件下，合金的峰值应力从1050℃ 的 362.68MPa下降到了1200℃ 的115.65MPa，而在1100℃变形温度下，峰值应力则从应变速率为 0.001 s－1的 63.06MPa提高到应变速率为 0.1s－1的268.71MPa。表明了在一定应变速率下，流变应力随变形温度的升高而显著下降，这是由于变形温度的升高降低了材料的临界剪应力，同时增强了动态回复和动态再结晶的软化效应，从而影响材料的流变应力;随着变形温度的升高，合金表现出明显的动态软化现象，在一定变形温度下，流变应力随应变速率的增加而提高，由于高的应变速率增加了位错运动速率而引起了流变应力的提高。

2.3 粉末冶金TiAl合金热变形本构模型的建立

TiAl合金的热变形是一个热激活过程，其变形抗力σp取决于变形温度T和应变速率˙ε，而˙ε和T的关系可用 Zener－Hollomon 参数 Z 表示［14］:

图2 粉末冶金TiAl合金热压缩变形的真应力－真应变曲线Fig.2 True stress－strain curves of the PM TiAl alloy obtained during the compression tests at the temperatures range from 1050 to 1200℃ with the strain rates of 0.1s－1(a)，0.01s－1(b)and 0.001s－1(c)

式中:R 为理想气体常数，R=8.314J/mol·K;T 为热力学温度，K;Q为变形激活能，即动态软化激活能，反映材料热变形的难易程度。Z为Zener－Hollomon参数，其物理意义为经过温度修正的应变速率，是材料在热变形过程中重要的力学性能参数。

材料热变形过程中的峰值应力和应变速率如下关系［15，16］:

低应力水平(ασ ＜0.8)时，

高应力水平(ασ ＞1.2)时，

式中:A1，A2，n1，β 及 α 均为与温度无关的常数。

以上两式适用于不同的应力情况，为了避免由于公式选用而造成的不必要的误差，Sellars和Tegart［17］提出了一种包含Q和T的双曲正弦形式修正的Arrhenius关系:

式中:A，n和α均为与温度无关的常数，其中A为结构因子，s－1;n为应力指数;α为应力水平参数，mm2/N。α，β及n1之间满足如下关系:

研究结果表明，式(4)能够在相对较宽的应力范围内较好地描述材料的热加工变形。根据式(1)和式(4)可得:

由式(6)可推出:

根据双曲正弦函数的定义，有:

因此，可将σ表示成Zener－Hollomon参数Z的函数:

将式(2)和(3)经过适当变换可得:

对式(4)两边取自然对数，并假定Q与T无关，得:

由式(12)得:

作一定应变速率下的 ln［sinh(ασ)］－(103/T)的关系图(见图3d)，计算出其平均斜率得到激活能Q=477.56kJ/mol。

由式(6)，得到Z参数为:Z=˙εexp［496.7×103/(RT)］

由式(4)，得到粉末冶金TiAl合金的本构方程为:

或是根据式(9)，将流变应力方程表示为含Z参数的形式:

为了验证本构方程是否能确切描述粉末冶金TiAl合金热变形过程中的流变行为，选取一定温度和应变速率代入本构方程，计算此条件下的峰值应力理论值，并与试验测量值相比较，结果如表1所示。可见绝大部分的理论值与实测峰值应力值符合的很好，说明该本构方程具有较好的可信度。

3 结论

(1)粉末冶金TiAl合金具有良好的热加工性，在温度≥1050℃和应变速率≤0.1s－1的范围下加工可以保证变形不开裂。

(2)粉末冶金TiAl合金的流变应力对应变速率和变形温度非常敏感，在低的变形温度和高的应变速率下合金表现为明显的动态软化，随着变形温度的升高和应变速率的降低出现了稳态流变软化现象。

(3)基于双曲正弦模型，建立了粉末冶金TiAl合金高温变形下的本构方程，计算了合金的热变形激活能 Q 为477.56kJ/mol。

图3 粉末冶金TiAl合金峰值应力与应变速率、温度的关系Fig.3 Relationship of peak stress and strain，temperature of PM TiAl alloy(a)ln˙ε－lnσ;(b)ln˙ε－σ;(c)ln˙ε－ln［sinh(ασ)］;(d)ln［sinh(ασ)］－103/T

表1 粉末冶金TiAl基合金峰值应力的实测值与理论值的对比(MPa)Table 1 Comparison of peak stress between the measured and the calculated data of PM TiAl alloy

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