粉末冶金Ti-3Al-5Mo-4.5V合金的热变形行为

相春杰，曹远奎，刘彬，刘咏



粉末冶金Ti-3Al-5Mo-4.5V合金的热变形行为

相春杰，曹远奎，刘彬，刘咏

(中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙 410083)

以元素粉末为原料，通过混料、冷等静压及真空烧结制备Ti-3Al-5Mo-4.5V合金，在应变速率为0.001，0.01，0.1和1s−1，变形温度为700，800，900和1000 ℃的条件下对合金进行热压缩变形，通过建立热变形本构方程，并绘出热加工图，研究粉末冶金钛合金的热变形行为及热加工性能。结果表明，Ti-3Al-5Mo-4.5V合金在高应变速率下(700~800 ℃/0.01~1 s−1和800~960 ℃/0.2~1 s−1)变形时发生失稳，失稳机制为局部流变和内部开裂。最佳变形区间为750~900 ℃/0.001 s−1，变形机制为动态再结晶。基于加工图，对Ti-3Al-5Mo-4.5V合金棒材进行高温轧制变形实验，变形量高达98.4%，变形后的合金组织均匀细小。

粉末冶金；钛合金；热变形；加工图；热变形机制

钛合金具有密度小(4.51 g/cm3)、强度高、抗疲劳与抗腐蚀性能优异、无磁性等特性，并且具有良好的生物相容性[1−5]。Ti-3Al-5Mo-4.5V合金(TC16)是一种马氏体α+β双相合金，经过固溶时效处理后强度达到1300 MPa以上，同时其抗疲劳性能好，淬透性高，对缺口和扭转等应力集中的敏感性小，是制造螺栓和螺钉等紧固件的理想材料[6−7]。目前，Ti-3Al-5Mo-4.5V合金紧固件的制备主要采用铸锭冶金工艺，包含多次真空自耗熔炼、开坯锻造、轧制、拉拔和紧固件成形加工等多道工序，高成本、难加工等问题一直制约其在汽车零部件和医疗器械等民用领域的大规模应 用[8−9]。粉末冶金工艺具有工艺简单、近净成形、原料利用率高以及成分可控、组织细小等众多优点，是制造低成本、高性能钛合金的理想工艺[10]。但由于其固有的孔隙及夹杂等缺陷，通常需要通过后续的热加工来进一步改善材料的组织与性能[11−12]。根据基于动态材料模型(dynamic materials model)建立的热加工图(processing map)，可确定最佳的加工工艺，分析材料的热变形机制，已成功用于对铸造钛合金热变形行为的研究[13]。LI等[14]对铸态Ti-3Al-5V-5Mo合金的热变形研究表明，在α+β两相区的变形机制为α相的动态再结晶，而在β单相区内为高应变速率时的动态回复及低应变速率时的晶界滑移。粉末冶金钛合金具有不同于熔炼合金的组织特点，其热变形行为也有所不同，但利用元素粉末法制备Ti-3Al-5Mo-4.5V合金，有关其热压缩行为的研究还未见报道。本文采用粉末冶金工艺制备Ti-3Al-5Mo-4.5V合金材料，对该材料进行等温热压缩实验，利用加工图技术研究其热变形行为及热加工性能，同时基于优化后的工艺参数，对Ti-3Al-5Mo-4.5V合金进行热轧制变形。研究结果对合理制定粉末冶金Ti-3Al-5Mo-4.5V合金的变形工艺，从而获得无缺陷粉末冶金工件具有重要的理论指导意义和实际应用价值。

1 实验

所用的原料粉末为Ti粉、Mo粉和Al-V中间合金粉，表1所列为原料粉末的杂质含量。Ti粉的平均粒径为37 μm，Al-V合金粉的平均粒径为54 μm，Mo粉的平均粒径为22 μm。

表1 实验用原料粉末的杂质含量(质量分数)

按Ti-3Al-5Mo-4.5V质量配比称量Ti粉、Mo粉和Al-V中间合金粉，在氩气保护下，经过V型混料机混料8 h，随后通过冷等静压制成直径50 mm、长 300 mm的圆柱形压坯，压力为150 MPa，保压时间为5 min。压坯采用TYCM-1型真空烧结炉进行烧结，得到Ti-3Al-5Mo-4.5V合金样品。烧结温度为1250 ℃，烧结时间为3 h，烧结真空度为5×10−3Pa。

用线切割机将Ti-3Al-5Mo-4.5V合金样品切成直径8 mm、高12 mm的圆柱试样，在Gleeble 3800 热变形模拟试验机上进行热压缩实验，应变速率分别为0.001，0.01，0.1和1 s−1，变形温度为700，800，900和1000 ℃，最大压缩变形量为50%(真应变约为0.7)。实验过程中采用惰性气体(氩气)保护。为了提高试样各部分温度分布的均匀性，采用3 ℃/s的升温速率，在设定的实验温度保温3 min后再进行热压缩试验。在高速变形时，实际的流变曲线是包含隔热温升及摩擦等因素的流变曲线，有必要对其进行温度和摩擦补正，本文所得的曲线均根据 LI等[15]的方法进行摩擦和温度修正。物相分析在RigakuD/MAx255oVB+型X射线衍射仪上进行，金相腐蚀采用Kroll试剂：5 mL HF+5 mL HNO3+90 mL H2O，采用Leica/ MeF3A型光学显微镜观察显微组织。采用装备能谱(EDS)及电子背散射衍射分析(EBSD)附件的Quanta FEG 250型场发射扫描电镜(SEM)对试样进行显微组织分析。

2 结果与讨论

2.1 显微组织

图1和图2所示分别为烧结态Ti-3Al-5Mo-4.5V合金的金相显微组织和XRD谱。从图1看出该合金为典型的层片状α+β双相组织，平均晶团尺寸约为105 μm，同时含有8.5%左右的残留孔隙。从图2可知，合金主要由α相和β相组成，未出现其它物相。杂质含量分析表明合金的氧含量(质量分数)约为0.33%。

图1 Ti-3Al-5Mo-4.5V合金的金相组织

图2 Ti-3Al-5Mo-4.5V合金的XRD谱

2.2 热变形流变行为

图3所示为Ti-3Al-5Mo-4.5V合金热压缩变形后的宏观形貌。从图中可见该合金的变形性能良好，在所有变形条件下均未出现明显的宏观裂纹。图4所示为Ti-3Al-5Mo-4.5V合金在温度为700~1000 ℃，应变速率为0.001~1.0 s−1的条件下热压缩变形时的真应力–真应变曲线。从图中可看出，流变应力随应变速率提高而增大，随变形温度升高而降低。当变形温度为700~900 ℃时，在变形初期，流变应力随应变率增加而迅速增大，出现加工硬化现象；达到峰值应力后，随应变率增加，流变出现软化现象，最后达到稳态流变。当温度提高到1000 ℃时，出现持续的加工硬化现象，流变软化行为不明显。

图3 Ti-3Al-5Mo-4.5V合金在不同条件下热压缩变形后的宏观形貌

图4 Ti-3Al-5Mo-4.5V合金在不同条件下变形的真应力−真应变曲线

2.3 热变形本构方程

在高温变形时，可用Arrhenius双曲正弦方程描述应变速率、流变应力和温度之间的关系[16−17]：

在高应力水平下：

在低应力水平下：

(3)

由式(2)和(3)可知，当温度一定时，和1分别为ln–关系曲线和ln–ln关系曲线的斜率。对试验数据进行线性回归处理，得到不同变形温度下ln–和ln–ln关系曲线，如图5所示，求出1的平均值为6.54，的平均值为0.138，由于=/1，则值为 0.0211。

假定热变形激活能在一定温度范围内与无关，对式(1)两边取对数和偏微分，得到在一定温度下变形激活能的计算式为：

对试验数据进行线性回归处理，绘制ln[sinh()] –(1/)关系曲线和ln–ln[sinh()] 关系曲线，如图6所示。将直线斜率代入式(4)，求得不同温度和不同应变速率条件下的变形激活能。

图5 流变应力与应变速率的关系

Fig.5 Relationships between strain rateand flow stress(a) ln−; (b) ln− ln

图6 ln[sinh(ασ)]−T−1关系曲线与ln−ln[sinh(ασ)]关系曲线