TC25钛合金的热变形行为及热加工图

2021-11-25朱红蔡钢

金属加工(热加工) 2021年11期

朱红，蔡钢

1.贵州工业职业技术学院化学工程系贵州贵阳 550008

2.广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院广东广州 511434

1 序言

TC25合金是20世纪70年代初期苏联研制成功的典型α+β型马氏体热强钛合金，名义成分为：Ti-6.5Al-2Zr-2Sn-2Mo-1W-0.2Si[1]。TC25钛合金能在500～550℃内长时间工作，是航空发动机压气机盘、机匣等结构的理想材料之一。在合适的锻造变形条件和热处理制度下可以获得理想的综合力学性能[2，3]。

热加工图是用于研究金属高温变形行为的有效方法，能反映金属在高温状态下变形过程中组织演化与变形参数之间的关系。同时，还能反映金属在塑性加工过程中的安全区域和危险区域。但是在热变形过程中，变形可能会引起试样温度的变化，从而使合金流变应力发生变化，不能获得准确的本构方程和热加工图，因此需要对变形温度进行修正。利用合金的热加工图，可以优化合金的热加工参数，从而对改善合金的加工性能、调控显微组织、避免缺陷的产生均具有重要的指导意义，目前已广泛应用于钛合金、铝合金和钢铁材料的热加工生产指导中[4-6]。

本文以TC25钛合金为研究对象，对其进行高温热压缩试验，通过试验数据绘制真应力-真应变曲线，研究其热变形行为，并对高应变速率条件下的变形温度进行修正，建立了该合金在变形温度未修正和修正后的热加工图，以期为TC25合金的热加工工艺优化提供理论依据和指导。

2 试验材料与方法

试验所用材料为某企业提供的直径25mm的TC25钛合金棒材，通过膨胀法测量得到合金的相变点为1029℃±5℃。图1所示为TC25钛合金试样的原始组织，呈典型的双态组织，白色等轴状的α相均匀地分布在β转变组织上。通过电火花线切割方式从合金棒材上切取φ5mm×10mm的热模拟试样若干，并用金相砂纸将表面磨至光亮。然后在德国巴赫的DIL 805 A/D 高温相变/热模拟仪上进行热模拟压缩试验，仪器的控温精度±0.1℃。试验变形温度为950℃、980℃、1010℃、1040℃、1070℃、1100℃，应变速率为0.001s-1、0.01s-1、0.1s-1、1s-1和10s-1，变形量为50%。具体加热方式如下：以加热速率为300℃/min将试样加热至变形温度，保温6min后进行变形，变形后以冷却速率为150℃/s冷至室温。为减少试样两端的摩擦影响，在试样两端垫上钽片。试样温度由焊接在样品上的热电偶实时反馈给计算机。

图1 TC25合金的原始组织

3 结果与讨论

3.1 真应力-真应变曲线

图2所示为TC25钛合金在950℃、1010℃、1070℃时不同应变速率条件下的真应力-真应变曲线。由图2可以看出，在变形温度恒定的条件下，合金的流变应力随着应变速率的增加而显著增大。在相同应变速率条件下，随着合金变形温度的升高，合金的流变应力逐渐降低。所有试样在变形初期，合金的流变应力随应变量的增加而迅速上升，呈近似垂直直线关系，这主要由于位错密度的快速增加所致[7]。但随着合金形变量的增大，不同条件下的真应力-真应变曲线的变化趋势不尽相同。当变形温度为950～1010℃、应变速率为0.001s-1时，合金的流变应力随着应变量增大而缓慢上升，未出现流变应力峰值，呈稳态流变特征；应变速率在0.01～1s-1的条件下，随着应变量的增加，流变应力迅速增加到峰值后出现突降，再缓慢上升，最终达到稳态流变阶段。有研究表明，在该过程中发生了动态回复、动态再结晶[7]。当应变速率为10s-1时，随应变量增加，流变应力先快速上升，然后再缓慢增加，在真应变量为0.3左右时达到峰值后开始降低，研究表明该现象归因于变形热效率、动态再结晶和超塑性等[8，9]。

图2 TC25钛合金在不同变形温度下的真应力-真应变曲线

3.2 高应变速率下的绝热升温现象

图3所示为TC25钛合金在变形温度为950℃和1100℃、应变速率为0.001s-1和10s-1时，真应力、真应变和试样实际温度之间的关系。从图3可以看出，当合金在应变速率为0.001s-1时，试样实际温度与预设变形温度基本相同，说明在变形过程中，试样的温度几乎没有发生变化，合金的流变应力也基本保持不变，压缩过程在等温条件下完成。这意味着合金在应变速率较低的情况下，变形所产生的温度散失到压头或周围环境中，没有使试样的温度上升。而当应变速率为10s-1时，试样实际温度随着应变量增大而明显上升，如图中虚线所示。这是因为TC25合金在高应变速率下进行变形，变形时间短，变形产生的大量热量来不及散失，导致试样温度明显升高，最后使合金的流变应力下降[10]。

从图3还可以看出，当合金在950℃变形时，试样变形导致的升温最高约为28℃；而1100℃时，试样的变形导致的升温最高约为10.5℃，并且合金在变形温度为950℃的流变应力下降速率明显高于1100℃时的速率，与试样实际温度升高速率之间有着良好对应关系。这说明合金在相同应变速率条件下，变形温度越低，绝热升温现象越明显。因此，在高应变速率条件下，TC25钛合金等温压缩形变产生的变形升温现象对真应力-真应变曲线影响较大，因此有必要对其变形温度进行修正。

图3 TC25合金在不同温度下真应变－真应力和实际测量温度之间的关系曲线

3.3 高应变速率下温度修正及流变应力曲线

为了建立精准的TC25钛合金的热加工图，对高应变速率条件下的温度进行修正。在本试验中，当应变速率较小时，绝热升温现象不明显，因此只对高应变速率条件下（10s-1）的变形温度进行修正。修正时，假定试样在变形过程中升温是均匀的，而且合金的比热容c和密度ρ不随温度变化，由相关文献[11]可知，试样的变形升温ΔT可用式（1）表示，即

式中 ΔT——变形升温（℃）；

ε——应变量；

σ——流变应力（MPa）；

η——绝热因子；

ρ——合金的密度（kg/cm3）；

c——比热容[J/（kg·K）]。

由相关文献[12]可知，应变速率为10s-1时，绝热因子η=1。

根据式（1），可以计算出TC25钛合金在应变速率10s-1条件下，不同预设变形温度时的绝热升温与真应变量之间的关系图，如图4所示。由图4可以看出，各预设变形温度下的变形导致的温度升高规律基本相同，随着变形量增加呈线性升高，并且在相同应变量下，随着预设变形温度的降低，变形导致的温升ΔT越大，变化趋势与实际温度监测的一致。变形温升ΔT引起的流变应力下降，其应力下降幅度Δσ可用式（2）表示[13]，即

图4 TC25合金在不同变形条件下的变形升温效应

式中 Δσ——应力下降幅度；

σ——试验获得的流变应力（MPa）；

T——实际变形温度（℃）；

Tn——预设的变形温度（℃）。

由式（2）可以得到经过温度修正后高应变速率条件下的真应力-真应变曲线，如图5所示。由图可以看出，修正后的流变应力比未修正的明显增大，而且变形温度越低，修正后的流变应力增加也越明显，这与前面的变形温升ΔT的变化保持一致。在应变速率为10s-1条件下等温压缩，流变应力迅速增加，然后流变应力再缓慢增加，在应变量＞0.3后流变应力才趋于平稳，达到稳态变形阶段。

图5 TC25钛合金修正后的真应力-真应变曲线

3.4 热加工图

图6a和图6b所示分别为TC25钛合金在真应变量为0.5时，未修正变形温度和修正后的热加工图。由图可以看出，热加工图由加工失稳区（阴影部分）和加工安全区构成。随着变形过程中应变速率的增加，功率耗散系数有下降趋势。加工安全区的功率耗散系数值η值＞30%，功率耗散系数值较大的区域集中在变形温度为1000～1100℃、应变速率为0.001～0.01s-1区域。由图6b可以看出，修正变形温度后的热加工图中流变失稳区比未修正的减小了很多，可以表明变形过程中的绝热升温效应对热加工图的影响较大。对于传热系数较小的钛合金来说，要获得准确的等温、恒应变速率下的热加工图，就必须对变形温度进行修正，这对工艺参数优化更有指导意义。