TA7钛合金高温流变行为研究

东赟鹏，于秋颖，方爽，王淑云，王超渊，宋晓俊

TA7钛合金高温流变行为研究

东赟鹏，于秋颖，方爽，王淑云，王超渊，宋晓俊

(北京航空材料研究院，北京100095)

通过热压缩试验研究了TA7钛合金在变形温度850～1000℃、应变速率0.001～0.1s－1条件下的流变应力变化规律，计算并建立了描述TA7钛合金高温变形特性的本构方程。结果表明:变形温度和应变速率对TA7钛合金流变应力影响显著，随变形温度升高和变形速率的降低，相同变形程度下合金的流变应力显著降低，并且在较低的应变下合金即可达到稳态流变状态。

TA7;钛合金;流变应力;本构方程

TA7钛合金属于中等强度的单相α型钛合金，具有比强度高、中温性能好、耐腐蚀性能强、室温和高温下断裂韧性好等优点，可长期在500℃条件下工作，短时工作温度可达800℃，广泛应用于飞机发动机环锻件，同时也可用以制造机匣壳体、壁板、紧固件等零件［1～4］。该合金在α相区冷成形时变形抗力大，工艺塑性差，一般在较高温度下塑性成形加工，因此对TA7钛合金高温变形特性的系统研究对成形工艺的制定具有重要的指导意义。本研究针对TA7钛合金的高温变形行为，拟建立描述该合金流变特性的本构方程，从而为其热加工工艺的制定提供理论依据。

1 实验材料及方法

1.1实验材料

实验材料为TA7钛合金棒材，具体的化学成分见表1。

表1 TA7钛合金棒材化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical composition of TA7 titanium alloy bar(mass fraction/%)

1.2实验方法

从TA7钛合金棒材切取8mm×12mm的热压缩试样，在THERMECMASTOR-Z热模拟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。试样变形温度分别为850℃，900℃，950℃和1000℃，应变速率分别为0.1s－1，0.01s－1，0.005s－1和0.001s－1，变形量为50%。试样以10℃/s加热至变形温度保温5min后进行热压缩，热压缩过程中应变速率和变形温度均保持恒定，变形结束后冷却方式为在氦气氛围中10s内激冷至500℃后水冷。应力、应变和温度等数据由Thermecmastor-Z热模拟试验机自动采集。

2 实验结果及分析

图1为TA7钛合金在不同变形温度和不同应变速率下热压缩50%后的真应力-真应变曲线。从图1可以看出，不同变形条件下该合金流变行为随应变量的变化规律较为相似，即:变形初期，由于位错大量增殖和积累，加工硬化占主导地位，流变应力随应变量的增加急剧增大;随应变量的不断增加，位错密度不断增高，晶体内部存储的能量不断增加，当真应变超过一定值后，合金出现产生动态回复和动态再结晶，流变应力不再随应变量的继续增加而发生明显的变化，出现稳态流变特征。

此外，从图1a～d中流变曲线的对比中可知，TA7钛合金在α相区内热变形时流变应力随变形温度降低和应变速率提高而大幅度升高。这是因为温度降低，合金变形所需激活能升高，流变应力增大;应变速率增加使合金内部位错增殖速度加快，位错运动阻力增大，加工硬化效果增强，因而导致流变应力增大。这说明TA7钛合金的流变应力对变形条件比较敏感，因此合金锻造过程中应准确合理控制变形温度和应变速率这两个工艺参数。

图1 TA7钛合金热压缩真应力-应变曲线Fig.1 True strain-true stress curves of TA7 titanium alloy during hot compression (a)850℃;(b)900℃;(c)950℃;(d)1000℃

3 TA7钛合金本构方程

3.1本构方程的建立

金属材料高温变形过程一般采用Arrhenius型本构方程来描述合金流动应力与应变速率、变形温度之间的关系［5～11］，如式(1)所示。

在高温条件下，合金变形过程积累的塑性应变ε也是一个不可忽略的重要变量［12～14］。由于式(1)中不包含应变对流动应力的影响，直接采用该公式将会引起较大误差，因此在本构方程中将引入等效应变，可以表示为

式(2)中:表示公式(1)，其中α，n，A和Q等材料常数将视为应变量ε的函数，通过对不同应变量下的材料常数进行回归拟合，建立改进的TA7钛合金的本构方程。

3.2材料参数的确定

当ασ＜0.8时，合金处于低应力水平条件下，流变应力σ和应变速率可以表示为指数关系:

当ασ＞1.2时，合金处于高应力水平条件下，流变应力σ和应变速率之间接近幂指数关系:

α，n1和β满足如下关系:

式(3)和式(4)两边取对数后可得:

由公式(6)和式(7)，n1和β分别为ln-Inσ和ln-σ曲线的斜率。取不同真应变ε及对应流动应力σ，分别作ln-lnσ关系曲线(图2)和ln-σ关系曲线(图3)，并用最小二乘法线性回归求得所取应变量下的n1和β，进而根据式(5)确定不同真应变ε下的α值。

对式(1)两边取对数，可得:

对(8)求偏微分可得热变形激活能Q为:

图4 不同应变条件下TA7钛合金ln和ln sinh(ασ)关系曲线Fig.4 Relationships between and of TA7 titanium alloy at different true strain (a)0.1;(b)0.15;(c)0.3;(d)0.45;(e)0.65

将求得的材料参数值代入式(1)，整理后得到TA7钛合金的本构方程:

图7为不同应变速率和温度下计算值和实验值的对比，其中实线为实验值，虚线为计算值。可以看到两者相对误差较小，这说明所建立的本构方程具有良好的预测能力。

4 结论

(1)本实验条件下，变形温度和应变速率对TA7钛合金的流变应力影响强烈，随变形温度升高和变形速率的降低，相同变形程度下合金的流变应力显著降低，并且在较低的应变下合金即可达到稳态流变状态。

(2)建立了包含应变量因素的TA7钛合金高温变形本构方程，较好地反映了合金在热变形过程中流变应力的变化规律。

图5 不同应变条件下TA7钛合金ln sinh(ασ)和1/T关系曲线Fig.5 Relationships between and 1/T of TA7 titanium alloy at different true strain (a)0.1;(b)0.15;(c)0.3;(d)0.45;(e)0.65

图6 材料参数和应变量的关系Fig.6 Relationships between material parameters and strain (a)α;(b)n;(c)ln A;(d)Q

图7 不同应变速率和温度下本构关系模型预测的流变应力与实验值对比Fig.7 Comparison between experimental and predicted flow stress from constitutive equation at different strain rates and temperatures(a)800℃;(b)850℃;(c)900℃;(d)1000℃

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Plastic Deformation Behavior of TA7 Titanium Alloy

DONG Yun-peng，YU Qiu-ying，FANG Shuang，WANG Shu-yun，WANG Chao-yuan，SONG Xiao-jun
(Laboratory of Welding and Forging，Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China)

The flow stress of TA7 titanium alloy was investigated by isothermal hot compression in the temperature range of850-1000℃and strain rate of0.001-0.1s－1.The constitutive equation for describing the plastic deformation behavior ofthe TA7 titanium alloy during hot compression process was deduced.The results show that the flow stress of the TA7 titanium alloy is greatly affected by temperature and strain rate.With the increase of the temperature and decrease of the strain rate，the flow stress of the TA7 titanium alloy decreases greatly，and the plastic deformation get into the steady-going condition state immediately under the condition of low flow stress.

TA7;titanium alloy;flow stress;constitutive equation

10.11868/j.issn.1005-5053.2015.1.003

TG146.2+3

A

1005-5053(2015)01-0013-07

2014-05-20;

2014-07-08

东赟鹏(1979—)，男，硕士，工程师，从事钛合金、铝合金、高温合金锻造成形工艺研究，(E-mail)dong_yunpeng @163.com。