Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al合金热加工性能研究

李昌民，黄亮，赵明杰，郭士琦，苏阳，李建军

Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al合金热加工性能研究

李昌民，黄亮，赵明杰，郭士琦，苏阳，李建军

（华中科技大学 材料科学与工程学院 材料成形与模具技术国家重点实验室，武汉 430074）

基于应变速率敏感系数、温度敏感系数，研究Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al（Ti-6554）合金的热加工性能。通过Gleeble-3500热模拟实验机，在温度为953～1 043 K、应变速率为0.001～10 s−1时，对Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al合金进行高温压缩实验。建立不同应变下的应变速率敏感系数图、温度敏感系数图，分析不同变形条件下的微观组织。随着应变速率的增加，应变速率敏感系数逐渐下降，而低温度敏感系数区域主要集中在低应变速率区域。基于微观组织表征，发现变形过程中存在明显的动态相变和动态再结晶过程。确定Ti-6554合金的合理加工条件为953～964 K、0.001 s−1和1 037～1 043 K、0.001 s−1。

Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al合金；应变速率敏感系数；温度敏感系数；微观组织

亚稳β钛合金优异的淬透性、良好的力学性能使其广泛应用于飞机起落架等大型承力构件[1-3]。目前，此类大型承力构件多采用模锻成形。热模锻过程中变形温度、变形速度、变形量等参数会显著影响零件的微观组织，进而导致力学性能的变化[4]，因此有必要通过热模拟实验研究钛合金的加工性能[5]，确定合理的加工工艺参数。

现阶段对钛合金热加工性能的研究主要集中在本构模型、热加工图和微观组织演化。朱丽等[6]研究了TC1钛合金板材的热加工性能，建立了Arrhenius本构模型，通过热加工图确定了合理加工区间出现在600～650 ℃、0.000 1～0.001 s−1。武川等[7]研究了Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al（Ti-6554）的热变形行为，发现在温度高于850 ℃、应变速率低于0.1 s−1且应变大于0.6时，会发生明显的动态再结晶现象。丁蓉蓉等[8]建立了Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe合金的本构模型和热加工图，确定合理加工区间出现在840～900 ℃、0.01～0.3 s−1。Yang等[9]通过EBSD确定了TB8合金热变形的主要动态再结晶机制为连续动态再结晶和非连续动态再结晶。Wu等[10]研究了Ti-5Al-5Mo-5V- Cr-1Zr合金变形过程中动态相变、织构演化、变形热对流动软化的贡献程度。

新型亚稳β钛合金Ti-6554综合性能优良，其Mo当量为13.3，Al当量为4[11]，经热处理后力学性能优于BT-22和Ti-1023[12]，可以适用于飞机起落架等大型承力构件。然而该合金在变形过程中变形抗力大，导热性较差，微观组织对变形参数非常敏感[12]，因此有必要研究该合金的热变形行为。现有研究主要集中在该合金单相区的微观组织演化以及两相区的本构模型。其中，Li等[1]研究了单相区的热变形行为，发现低应变速率下主要是非连续动态再结晶，而在高应变速率下以连续动态再结晶为主。Long等[13]建立了Ti-6554合金的遗传算法优化Johnson-Cook模型、Arrhenius型本构模型，并确定了变形过程中存在挤压球化机制和剪切球化机制。

以上这些可以为钛合金的热变形行为研究奠定基础，此外，有必要指出的一点是应变速率敏感系数作为Arrhenius模型中的重要参数，与塑性变形行为和变形机制有重要关联。Liang等[14]发现应变速率敏感系数大于0.2的区域已经达到动态再结晶过程所需的临界密度。Nan等[15]发现高应变速率敏感区域主要集中在高温低应变速率区域，同时考虑到钛合金对变形温度十分敏感，采用了温度敏感系数来描述成形温度对热变形的敏感性[16]。

文中通过温度为953～1 043 K、应变速率为0.001～10 s−1的热压缩实验，基于应变速率敏感系数图、温度敏感系数图、微观组织，对Ti-6554合金的热加工性能进行表征，为进一步扩大Ti-6554合金的应用范围提供理论依据。

1 实验

实验所用的Ti-6554合金成分如表1所示，其相变点为（1 058±5）K[1]。为了评估Ti-6554合金的热加工性能，在温度为953～1 043 K、应变速率为0.001～10 s−1下进行高温压缩实验。首先将样品加工成直径为8 mm、高度为12 mm的小圆柱，随后在圆柱上下表面涂覆玻璃润滑剂，并放置钽片以降低样品和夹具之间的摩擦。抽真空后，采用10 K/s的升温速度升高至变形温度并保温300 s，保证微观组织均匀性并消除温度梯度。压缩变形量为60%，对应的真应变为0.9。变形完成后迅速水冷以保留变形后的微观组织。

为了对样品进行微观组织观察，将样品沿压缩方向中心切开，用砂纸研磨并机械抛光后，采用10 mL氢氟酸、30 mL硝酸、70 mL蒸馏水的混合溶液进行腐蚀，腐蚀完成后立即用清水冲洗并烘干，最后在超景深金相显微镜上观察变形后的微观组织。

表1 Ti-6554合金的化学成分（质量分数）

Tab.1 Chemical composition of Ti-6554 alloy (mass fraction) %

2 结果与讨论

2.1 应力-应变曲线

图1为Ti-6554合金在不同变形条件下的应力-应变曲线，可以看出在变形初期随着应变的增大，在加工硬化效应的作用下流动应力迅速增加到峰值[17]，此时变形过程中加工硬化占主导[18-19]。随着应变的增大，动态回复、动态相变、动态再结晶等软化机制逐渐占主导，流动应力逐渐减小。此外，随着应变速率的增加和变形温度的下降，峰值应力逐渐增加，这是因为高应变速率提高了位错的增殖速度，而低变形温度增加了变形抗力，使流动应力逐渐增加。值得注意的是，流动应力的下降幅度在高应变速率下特别明显，这是因为钛合金的热导率很低，变形过程中产生的热量不能及时散发，从而引起变形热效应[20-21]。变形热效应的产生会使局部温度升高，促进动态回复、动态再结晶等软化效应。如果变形温度超过钛合金的合理变形温度，容易造成流动局部化等典型失稳现象[22]，这会影响零件的使用寿命。

图1 不同条件下的应力-应变曲线

2.2 应变速率敏感系数

式中：1、2、3、4为常数。根据式（1），文中拟合了不同变形条件下流动应力和应变速率曲线，如图2所示。低应变下的每条曲线间距都较大，随着应变的增加，高温低应变速率下的曲线逐渐接近，说明变形过程中存在相似的微观组织演化。根据拟合结果，可以通过式（2）计算不同变形条件下的应变速率敏感系数[21]：

式中：为应变速率敏感系数。得到值后，通过MATLAB将其扩展为矩阵形式，并建立了不同应变下的3D应变速率敏感系数图，如图3所示。可以看出，应变速率敏感系数对变形温度、应变速率的变化非常敏感。应变速率敏感系数可以看成样品变形过程中吸收总能量的分配指数，表示吸收的总能量以一定比例分别消耗于塑性变形和微观组织演变。一般而言，应变速率敏感系数越大，变形过程中用于微观组织演变的能量越多，即随着应变速率的增加，应变速率敏感系数逐渐下降，说明在高应变速率下变形过程中的能量大都用于塑性变形，而在低应变速率下，位错有充足的时间进行滑移和攀移，从而可以促进动态回复、动态再结晶等软化机制。变形过程中大量的能量用于微观组织演变，可以看到2个应变速率敏感系数的峰值分别出现在953 K、0.001 s−1和1 043 K、0.001 s−1时。此外，从不同应变下的应变速率敏感系数变化也可以发现，随着应变的增加，应变速率敏感系数逐渐下降。在应变为0.1时，应变速率敏感系数的峰值接近0.35，而当应变为0.9时，峰值逐渐下降到0.25左右。一般而言，较高的应变速率敏感系数是获得良好变形条件的前提。Stüwe等[23]研究指出，应变速率敏感系数与位错滑移有关，变形过程中大量的位错聚集容易导致应力集中，降低了金属的塑性流动能力，应变速率敏感系数逐渐下降。这也解释了在高应变速率下应变速率敏感系数比较低的原因。

图2 不同应变下流动应力和应变速率之间的关系

图3 不同应变下的3D应变速率敏感系数

2.3 温度敏感系数

温度也是应变变形过程中的重要参数，以动态再结晶过程为例，变形温度只有超过再结晶的临界温度，再结晶过程才有可能发生，并且在两相区变形过程中，变形温度的升高也会使α相的含量下降，进而影响后续的软化过程。目前，变形温度和流动应力之间的关系可以用式（3）表示：

式中：为流动应力；为热力学温度；1、2、3、4为常数。根据式（3），文中拟合了不同应变下的应力与变形温度的关系，如图4所示。可以看出低应变速率下对温度的敏感性较低，而在高应变速率下，随着温度的升高，流动应力下降得非常明显。钛合金高应变速率变形过程中容易产生变形热效应，进而导致局部温度升高。这一部分能量可能会促进软化过程，然而如果变形温度超过钛合金的合理变形温度，将会导致流动局部化等失稳现象的产生。根据不同条件下的拟合结果，不同变形条件下的温度敏感系数可参考式（4）进行计算[16]：

图5为不同应变下温度敏感系数与变形参数的关系。普遍认为低温度敏感系数表示温度对流动应力的影响较小，意味着相对稳定的流动机制[16]，并且在热加工过程中更容易进入稳定流动状态。从图5a可以看出，在低应变速率下，温度敏感系数较低，而在高应变速率下存在明显的峰值，这是由于高应变速率下位错增殖速度显著增大，导致样品内部变形存储能上升，进而促进动态相变、动态再结晶、动态回复等软化机制，另外前文提到的变形热效应也进一步促进了该过程。尽管随着温度的升高，在高应变速率下出现了一个温度敏感系数很低的区域，但高应变速率依旧会增加钛合金失稳现象出现的风险。

图4 不同应变下变形温度和流动应力之间的关系

图5 不同应变下的3D温度敏感系数

2.4 热加工区间的确定

将不同应变下的应变速率敏感系数图和温度敏感系数图进行叠加，得到了如图6所示的结果，其中彩色区域为应变速率敏感系数，黑色线条为温度敏感系数。从图6可以看出，低温度敏感系数和高应变速率敏感系数重合的位置主要集中在低应变速率区域，根据温度敏感系数和应变速率敏感系数的大小，文中确定了2个合理加工区域的范围，分别是953～964 K、0.001 s−1和1 037～1 043 K、0.001 s−1，如图6中的和箭头所指的区域。在整个应变范围内，它们的应变速率敏感系数分别为0.179～0.3和0.3～0.35，温度敏感系数分别为0.6～1.45和0.50～0.9。总体而言，拥有较高的应变速率敏感系数值和较低的温度敏感系数值。图7为图6中这3个区域内的典型微观组织。从图7a可以看出，在953 K、0.001 s−1时，微观组织中存在有大量的α相，并且该条件下没有任何失稳现象产生。从图7b可以发现，一部分α相为了缓解应力集中而逐渐被拉长。当温度增加到1 043 K时，微观组织中的α相已经大量下降，一方面变形之前的保温过程会使大量α相转为β相。另一方面，变形过程中会发生动态相变过程。动态相变不仅伴随着晶格结构的变化，同样伴随着元素的扩散[24]。此外，还可以发现β晶界存在明显的弓出，如图7c中黑色箭头所示。研究指出，晶界弓出是应变诱导晶界迁移的典型特征[5]。弓出部位可以看作再结晶晶粒的形核位置。

图6 不同应变下的应变速率敏感系数和温度敏感系数叠加图

图7 不同变形条件下的微观组织

温度敏感系数较高、应变速率敏感系数较低的区域被认为是不合理的加工区域，文中该区域主要集中在高应变速率区域，其中选择图6中的区域作为其中的代表，其典型的微观组织如图7d所示。可以发现变形过程中出现了明显的流动局部化现象。流动局部化现象是钛合金在高应变速率下发生的变形热效应导致的[25-26]，这会显著影响零件的使用寿命，应该避免。此外从图7d还可以发现，α相的分布非常不均匀，有的地方α相含量很低，这进一步说明了变形过程中发生了动态相变的过程，在高应变速率下，变形热效应给动态相变过程提供了充足能量，同时，高应变速率提高了位错增殖速度，为动态相变过程的进行进一步提供了大量的变形储存能[24]。

结合以上分析可以确定Ti-6554合金的合理加工区域为953～964 K、0.001 s−1和1 037～1 043 K、0.001 s−1。

3 结论

1）Ti-6554合金变形过程中流动应力随着温度升高和应变速率下降而逐渐降低。高应变速率下变形热效应导致曲线发生明显软化。

2）随着应变速率的增加，应变速率敏感系数逐渐下降，而低温度敏感系数区域主要集中在低应变速率区域，并确定Ti-6554合金的合理加工条件为953～964 K、0.001 s−1和1 037～1 043 K、0.001 s−1。失稳区域主要集中在高应变速率区域。

3）基于微观组织表征发现在加工安全区微观组织均匀性很高，没有明显的失稳现象发生。在失稳区域流动局部化是典型的失稳现象。

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Hot Workability of Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al Alloy

LI Chang-min, HUANG Liang, ZHAO Ming-jie, GUO Shi-qi, SU Yang, LI Jian-jun

(State Key Laboratory of Materials Processing and Die & Mould Technology, School of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

The work aims to study the hot workability of Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al (Ti-6554) alloy based on strain rate sensitivity coefficient and temperature sensitivity coefficient. The high temperature compression experiments of Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al alloy were carried out with Gleeble-3500 thermal simulation machine at the temperature of 953～1 043 K and the strain rate of 0.001～10 s−1. The strain rate sensitivity coefficient map and temperature sensitivity coefficient map under different strains were established, and the microstructure under different deformation conditions was analyzed. The strain rate sensitivity coefficient decreased gradually with the increase of strain rate, while the low temperature sensitivity coefficient was mainly concentrated in the low strain rate region. Based on the microstructure characterization, obvious dynamic transformation and dynamic recrystallization processes were found during the deformation process. The optimum processing conditions of Ti-6554 alloy are determined to be the deformation temperature of 953～964 K and 1 037～1 043 K and the strain rate of 0.001 s−1.

Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al alloy; strain rate sensitivity coefficient; temperature sensitivity coefficient; microstructure

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.04.003

TG316.3

A

1674-6457(2022)04-0020-08

2022-03-01

哈尔滨工业大学金属精密热加工国防科技重点实验室基金（6142909190207）；陕西省高性能精确成形技术与装备重点实验室基金开放课题（PETE-2019-KF01）

李昌民（1994—），男，博士生，主要研究方向为高强韧钛合金热成形工艺。

黄亮（1981—），男，博士，教授，主要研究方向为高强韧金属材料及其特殊能场作用下大型高性能金属构件热成形。

责任编辑：蒋红晨