TC4钛合金板材高温热拉伸性能的研究

丁嘉健 刘家和 杨展铭 席彬彬

摘  要：采用了Gleeble 3800热模拟机，对TC4钛合金进行了等温拉伸实验，研究了TC4钛合金在温度为20℃，300℃，600℃，700℃，800℃，应变速率在0.004s-1条件下的高温拉伸变形情况。

关键词：TC4钛合金;热拉伸;塑性

中图分类号：TG306        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）11-0041-03

Abstract： The isothermal tensile test of TC4 titanium alloy was carried out by using Gleeble 3800 thermal simulator. The tensile deformation of TC4 titanium alloy at 20 ℃， 300 ℃， 600 ℃， 700 ℃， and 800 ℃and strain rate at 0.004s-1 was studied.

Keywords： TC4 titanium alloy; hot tension; plasticity

TC4钛合金是一种（α+β）型钛合金，其综合性能优良，常作为重要零部件应用于航空、航天等领域[1-2]。在钛合金的应用中，板料成形尤其是薄板成形一直是成形领域的难点。钛合金材料的屈强比高，板材室温下塑性变形范围窄小，成形困难，回弹严重，薄板成形的难度更大，所以一般需要采用热成形加工[3-5]。

国外学者对TC4钛合金板料在高温下深拉深的失效和成形性进行了研究，发现失效部位发生在成形零件的颈部和壁部，同时指出钛合金很难在室温到150℃范围内拉深，最大拉深比在400℃下达到1.8，但是仍然比其他结构的合金小，受设备因素，该研究未能使研究温度提高到400℃以上，所以钛合金的高温成形性能以及失效类型并未得到更充分的研究，更高温度条件下的钛合金板料热成形性能值得期待。

本课题通过在更高温度条件下进行材料的热拉伸研究，以期掌握材料的热成型的温度范围，为实际生产和科学研究提供参考。

1 实验

1.1 实验材料

实验材料采用高强度TC4钛合金板料，厚度为0.8mm。室温下抗拉强度1100MPa左右，延伸率δ5为10%。化学成分见表1。

1.2 实验设备及方法

实验用式样尺寸具体参数如图1所示，使用的设备为Gleeble-3800热力模拟压力机。Gleeble热力模拟试验机是一种物理模拟试验装置，在物理模拟中利用小试样在试验热与受力的物理过程，充分而精确地揭示材料在热加工过程中的组织性能变化规律，为制定合理的加工工艺以及研制新材料提供理论指导和技术依据。

热模拟板料试样用线切割加工成如图1所示的拉伸试样，在Gleeble-3800热模拟机上进行高温拉伸实验。然后热模拟机以2℃/s的速度加热至测试温度，并保温30min让试样内部的温度均匀，拉伸失效后，将样品冷却至室温，平均冷却温度40℃/s。拉伸温度分别为20℃，300℃，600℃，700℃，800℃，应变速率为0.004s-1，标距为25mm。拉伸后的试样图2所示，（a）是20℃下拉伸后的试样，（b）是300℃下拉伸后的试样，（c）是600℃下拉伸后的试样，（d）是700℃下拉伸后的试样，（e）是800℃下拉伸后的试样。

2 结果与讨论

温度对拉伸性能的影响：

在室温条件下，接近1200Mp的拉伸应力获得接近0.1的应变;在温度达到300℃时，950Mp左右的应力可以获得0.1的应变;在温度超过600℃时，塑性明显改善，不到600Mp的拉應力条件就可以获得接近0.1的应变;在温度达到700℃时，400Mp的应力就可以获得0.1的应变;在800℃的情况下，TC4板件的塑性已经非常优良，不到100Mp就可以获得0.1的应变。金属材料的塑性变形是通过滑移和孪生进行的，塑性变形中位错密度的升高导致了加工硬化的出现，位错密度越大导致了塑性变形越难进行，所以加工硬化率越大。温度越高，能参与到塑性变形的滑移面增加，且随着温度的上升，原子的迁移能力增强，位错的运动能力得以改善，这都使材料塑性改善，同时在高温区间，晶界滑移和扩散蠕变使塑性进一步改善。

而当温度上升到800℃时，在实验的拉伸条件下，晶界滑移和扩散蠕变开始变得明显，因而断面组织晶粒界面不清晰。

3 结论

（1）TC4钛合金是一种强度很高的材料，在室温和低于500℃以内的温度时，塑性成形性能差。

（2）当温度超过600℃以后，材料的塑性明显改善，尤其在800℃左右，在100Mp就可以获得0.1的应变。

（3）在700℃左右的温度，进行塑性变形，TC4钛合金会出现再结晶现象，有利于材料的组织与性能优化，建议TC4钛合金板料的热成型温度控制在700-800℃的温度范围内。

参考文献：

[1]冯颖芳.世界钛及钛合金的应用研究进展[J].世界有色金属，2012（4）：54-57.

[2]赵永庆，奚正平，曲恒磊.我国航空用钛合金材料研究现状[J].航空材料学报，2003，23（s1）：215-219.

[3]郭天文.TC4钛合金板材热拉深成形数值模拟与试验研究[D].哈尔滨工业大学，2008.

[4]陈志英.钛合金冷拉深工艺初探[J].航空精密制造技术，2008，40（1）：42-45.

[5]Nitin Kotkunde， Aditya D.Deole， Amit Kumar Gupta. Failure and formability studies in warm deep drawing of Ti-6Al-4V alloy

[J]. Materials and Design， 2014，60：540-547.