TC27钛合金的热变形行为及加工图

2019-01-04李雪飞沙爱学黄利军

钛工业进展 2018年5期

李雪飞，沙爱学，黄旭，黄利军

(北京航空材料研究院先进钛合金航空科技重点实验室，北京 100095)

0 引言

TC27钛合金是一种性能优良的高强、高韧和高淬透性钛合金，非常适合制造大型承力构件，其综合性能与国外已获得批量应用的高性能Ti55531合金相当[1]。TC27钛合金是TC18钛合金的改进型，其合金成分中用Nb元素代替Cr元素，使其具有更高的强度，能够满足飞机结构设计中需要更高强度的结构部件的要求。与使用高强钢相比，使用钛合金能够起到很好的减重效果[2]。优异的性能使TC27钛合金在航空航天、兵器、石油、化工和医疗等领域具有广阔的应用前景[3]。但TC27钛合金铸态组织晶粒粗大，需通过一系列的热加工处理，使其晶粒细化，以提高综合使用性能。

热加工图是表征处理固有加工性好与坏的图形。借助热加工图可以缩短加工工艺的探索周期，减小工作量，节约成本。目前热加工图已在多种金属及其合金的热变形行研究中得到应用[4-8]。本研究以热压缩实验为基础，研究变形温度和应变速率对TC27钛合金变形过程中流变应力的影响。基于动态材料模型理论建立加工图，通过加工图与微观组织演变分析相结合的方法优化变形参数，为该合金的热加工工艺优化提供理论依据。

1 实验

实验材料为经3次真空自耗熔炼的650 kg级TC27钛合金铸锭，名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-2Nb-1Fe，低倍组织和高倍组织如图1所示。

图1 TC27钛合金铸锭的低倍组织和显微组织Fig.1 Macrostructure(a) and microstructure(b) of TC27 titanium alloy ingot

用线切割方法在铸锭上切取φ8 mm×12 mm的热压缩试样。采用感应加热式Thermecmaster-Z型热/力模拟试验机进行热压缩实验。变形温度为900、950、1 000、1 050、1 100、1 150 ℃，变形速率为0.01、0.1、1、10 s-1，热压缩变形量为50%。热压缩试样以10 ℃/s的速度升温至变形温度，保温300 s。试样热压缩后进行水淬，以保留高温变形组织。沿纵向中心线将试样剖开制备成金相试样，腐蚀后采用金相显微镜观察其显微组织。金相腐蚀液成分为10%HF+20%HNO3+70%H2O。

2 结果与讨论

2.1 应力-应变曲线

应力-应变曲线是在一定的变形速率和变形温度下应力对应变的变化规律，它可以宏观的表征出材料内部显微组织的变化过程。TC27钛合金的热压缩应力-应变曲线如图2所示。

图2 TC27钛合金不同温度下的应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of TC27 titaniun alloy at different temperatures:(a)900 ℃；(b)950 ℃；(c)1 000 ℃；(d)1 050 ℃；(e)1 100 ℃；(f)1 150 ℃

从图2可以看出，无论在何种温度、何种应变速率下，热压缩变形初始阶段，达到应力峰值前曲线的斜率很大，几乎呈直线上升，此阶段的应力随应变的增加迅速增大，峰值应力所对应的应变很小。出现此特征的原因是在外加应力的作用下，材料发生塑性变形，内部产生了大量的可动位错，可动位错受到塞积和缠结等障碍，阻碍位错的继续运动，材料产生加工硬化等现象。当变形达到一定程度时，流变应力达到峰值。在峰值应力后的一段应变范围内，流变应力随应变的增加会总体呈现下降趋势。这是由于钛合金的热传导系数较低，塑性变形产生的热量不能很快的传导到外界，导致材料内部温度升高，使钛合金材料的热激活作用增强，原子动能增大，原子间的结合力减弱，从而降低材料的临近剪切力，降低材料变形所需要的外力。另外，钛合金塑性变形过程中动态再结晶也是导致动态软化的原因之一。而在变形速率0.1 s-1条件下，由于加工硬化效果强于动态软化效果，变形抗力随应变的增加而增强。随着应变的继续增加，流变应力趋于相对稳定，这主要是由于加工硬化和动态软化共同作用达到平衡的结果。在变形过程中，TC27钛合金的流变应力随着温度的增加而减小，随着应变速率的增加而增大。

2.2 加工图及其分析

加工图是以动态材料学模型为理论依据建立的，而动态材料学模型是基于大塑性变形的连续介质力学、物理系统模拟和不可逆热动力学等方面的基本原理建立的[9]。系统单位时间内输入到工件的总能量p主要消耗在2个方面，分别是耗散协量J和耗散量G。耗散协量J是工件在热变形时发生诸如片状组织动态球化、动态再结晶、相变及动态回复等组织演化过程所耗散的能量；耗散量G代表工件发生塑性变形时所耗散的能量，其中只有小部分的能量以晶体缺陷的状态存储，绝大部分能量转化为热能[10]。数学表达式如下：

(1)

耗散协量J和耗散量G的比例由加工件在一定温度和一定应力下的应变速率敏感指数m决定：

(2)

m值对理解能量分配和材料显微组织的演化有指导意义，现对其进行分析情况讨论：当m≤0时，系统没有发生能量耗散；当01时，材料可能会出现组织缺陷。

(3)

耗散协量J的微分可表示为：

(4)

则J表示为：

(5)

当m=1时，材料处于理想线性耗散状态。耗散协量J达到最大值，即:

(6)

根据式(5)和式(6)定义一个无量纲参数η，即功率耗散效率，数学表达式为：

(7)

η值随应变速率和变形温度构成功率耗散图，不同的功率耗散等值线围成不同的区域，不同区域与微观组织变形有直接的联系，在高耗散效率值区域内进行塑性加工，通常能获得较好的组织性能。

(8)

(9)

式中，系数a、b、c、d为一定温度下的常数，采用多项式拟合求得a、b、c、d的值。将式(9)代入式(2)可计算出应变速率敏感因子m的值：

(10)

图3 TC27钛合金的加工图Fig.3 Processing map of TC27 titaniun alloy

2.3 微观组织分析

TC27钛合金经900 ℃/0.01 s-1和1 050 ℃/0.01 s-1热压缩变形后的显微组织如图4所示。从图4可以看出，经过900 ℃/0.01 s-1变形后，组织变为细小的片状组织，分布杂乱无序，只发生动态回复，无再结晶组织出现。经过1 050 ℃/0.01 s-1变形后，片状组织完全消失，发生了再结晶转变，再结晶晶粒尺寸在5～100 μm之间。因此，在变形温度1 050 ℃、应变速率0.01 s-1条件下，TC27钛合金可得到性能优良的变形组织。