SP700钛合金薄板超塑性研究

朱晓翠，罗 伟，崔文俊

（1.西部钛业有限责任公司，陕西 西安 710201；2.钛合金加工技术国家地方联合工程研究中心，陕西 西安 710201）

SP700是一种新型的富β相的α+β型钛合金，名义成分为：Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe［1］。它在Ti-6Al-4V钛合金成分的基础上（3／4的Ti-6Al-4V合金元素含量）添加β稳定化元素Mo和Fe，降低了β相转变温度。SP700合金的β转变温度是1 173 K，比Ti-6Al-4V钛合金的β转变温度降低100 K，其超塑成形温度也较低，改善了合金的冷／热加工性能，同时强化了超塑性、可淬性和抗疲劳强度等方面的性能。同时由于铝含量的减少，其耐疲劳性和耐腐蚀性也得到提高［2］。这些优异的机械性能与良好的可加工性、可热处理性相结合，使该合金得到了广泛的关注，应用范围不断增加。

超塑性具有延伸率大、应力小、无颈缩、易成型的特点。超塑性成形工艺比较适用于复杂形状零件成形的精加工，一般成形后零件残余应力小、尺寸稳定、表面光滑美观、且加工成本较低，被广泛应用于航空航天、舰船和化工等领域［3，4］。

基于此，本文主要通过两种超塑性试验方法测试了厚度为2 mm的SP700钛合金薄板超塑性，并确定了SP700钛合金薄板达到最大超塑性时的最佳温度和应变速率，为实际生产中板材超塑成型／扩散连接提供数据支持。

1 试 验

1.1 试验材料与设备

1.试验材料：试验使用的厚度为2.0 mm 的SP700钛合金薄板由西部钛业制造，板材是由厚度为180 mm的板坯经过3火次换向热轧+包覆叠轧+成品热处理生产，其化学成分见表1，相变点：910～915℃，成品力学性能见表2，晶粒尺寸≤3μm，显微组织如图1所示。

图1 试样显微组织

表1 板坯化学成分 %

表2 成品板材力学性能

2.试验设备：采用CMT4104型号电子万能拉伸试验机，有效拉伸空间850 mm，力传感器10 kN、横梁移动速度0.001～500 mm／min。

1.2 试验方法

分别采用恒应变速率拉伸试验和最大m值法拉伸试验2种试验方法测试厚度为2.0 mm的SP700钛合金薄板超塑性，并确定板材最大超塑性指标和最优超塑成型温度。具体操作方法如下：

1.试验方法及记录数据。到温后装炉，保温10 min后进行拉伸，直至试样拉断为止。将试样取出后立即水淬，以保留高温变形组织。记录过程中的应变速率和m值变化数据，应力、应变数据。

2.试样前处理。涂覆抗氧化涂料前，将试样表面进行除油清洗；然后对试样标距段测量直径或厚度，并记录。使用测量后的数据输入计算机程序。

3.试样后处理。试样拉断后立即进行水淬，然后，使用电吹风机将试样吹干，装入试样袋并封口，试样袋上记录以下主要内容：试样编号、试验方法、试验温度、应变速率、最终延伸率。

2 试验方案与结果

2.1 试验方案

采用最大m值法和恒应变速率法2种方法对2.0 mm厚SP700钛合金板材的超塑拉伸性能进行试验，测试温度755℃、765℃、775℃、785℃，试样拉伸轴方向分别与板材轧制方向成0°、45°和90°，应变速率为0.005～0.1 s-1。

2.2 恒应变速率法超塑性延伸率试验结果

图2所示为0°方向不同温度及恒应变速率时超塑性延伸率结果。试验表明，在775℃、0.005 s-1条件0°向试样可获得最高为960.9%的延伸率。

图2 0°向恒应变速率法超塑延伸率

图3所示为90°方向不同温度及恒应变速率时超塑性延伸率结果。试验表明，在775℃、0.005 s-1条件L向试样可获得最高为1 121.2%的延伸率。

图3 90°向恒应变速率法超塑延伸率

图4所示为45°方向不同温度及恒应变速率时超塑性延伸率结果。试验表明，在775℃、0.005 s-1条件45°方向试样可获得最高为750.8%的延伸率。

图4 45°向恒应变速率法超塑延伸率

所以，SP700钛合金的最佳超塑成形温度为775℃。对于恒应变速率法，最佳应变速率为0.005 s-1。

2.3 最大m值法超塑性延伸率试验结果

采用最大m值法的最终断裂延伸率如图5所示。在775℃、45°方向的延伸率最高，为3 110%，在785℃、90°方向的延伸率最低，为1 127%。

图5 最大m值法超塑延伸率

钛合金超塑变形工艺中影响钛合金超塑性能的主要因素包括晶粒度、变形温度、应变速率等。在晶粒度和变形温度一定时，因超塑变形中流变应力对应变速率的高敏感性，使得应变速率成为影响钛合金超塑性能的重要因素。最大m值超塑变形拉伸试验法是根据整个拉伸过程中采集到的众多m值数据进行数学平均得到最大m值。在超塑性拉伸过程中，以最大m值为原则，应变速率始终在材料具有最佳超塑性状态下附近波动，可以获得异常高的延伸率。所以，采用最大m值法测得的SP700钛合金薄板超塑性结果远远高于恒应变速率法测得的结果。

3 结 论

1.最大m值法时SP700钛合金薄板的最佳超塑成型温度为775℃。

2.恒应变速率法时SP700钛合金薄板的最佳超塑成型温度为775℃，最佳应变速率为0.005 s-1。