姜 波,王耀奇,侯紅亮,牛 勇,李淼泉

(1北京航空制造工程研究所,北京100024;2西北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,西安710072)

氫對(duì)TC21合金高溫變形行為的影響

姜 波1,王耀奇1,侯紅亮1,牛 勇2,李淼泉2

(1北京航空制造工程研究所,北京100024;2西北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,西安710072)

采用連續(xù)升溫金相法研究了氫對(duì) TC21合金相變溫度的影響,通過熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn),研究了氫對(duì) TC21合金高溫變形行為的影響。結(jié)果表明:置氫可以顯著降低 TC21合金的相變溫度,置氫0.7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)的 TC21合金相變溫度為810℃,與未置氫合金相比,降幅達(dá)145℃;同時(shí),置氫還可以有效降低TC21合金的流變應(yīng)力,并且溫度越低,應(yīng)變速率越高,氫對(duì)流動(dòng)應(yīng)力的影響就越顯著,變形溫度為800℃,應(yīng)變速率1s-1時(shí),置氫0.28%后,穩(wěn)態(tài)應(yīng)力為202MPa,與未置氫合金相比降低了28%,相同應(yīng)力水平條件下,置氫能夠?qū)崿F(xiàn)變形溫度降低40℃,應(yīng)變速率提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

TC21合金;置氫;高溫變形行為

鈦及其合金具有比強(qiáng)度高,熱強(qiáng)性、耐蝕性好等優(yōu)異的綜合性能,在航空航天領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[1]。隨著航空工業(yè)的發(fā)展,為了滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)件損傷容限設(shè)計(jì)要求,近年來損傷容限型鈦合金研究備受關(guān)注,如Ti-6Al-4V(ELI),Ti-6-22-22S等,TC21合金是我國自行研制的一種新型兩相高強(qiáng)高韌高損傷容限型鈦合金,該合金具有優(yōu)良的強(qiáng)度、塑性、韌性和低的裂紋擴(kuò)展速率匹配性能[2-4],可作為重要的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。

鈦合金氫處理是利用氫的可逆合金化作用,通過合理控制合金中的氫含量及其存在狀態(tài),在不改變材料整體狀態(tài)的前提下,形成有利于改善加工性能的組織結(jié)構(gòu),是提高鈦合金加工性能的一項(xiàng)新技術(shù),近年來,受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[5-10]。本工作將 TC21合金進(jìn)行置氫處理,通過熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn),研究其高溫變形行為,為降低 TC21合金的加工難度,拓展其應(yīng)用領(lǐng)域奠定理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為西北有色金屬研究院制備的退火態(tài)的TC21合金棒材,其直徑為φ14mm,材料的顯微組織為等軸組織,如圖1所示。試樣經(jīng)表面處理,置入自制的管式氫處理爐內(nèi),在750℃條件下采用固態(tài)充氫法進(jìn)行置氫實(shí)驗(yàn),到達(dá)實(shí)驗(yàn)溫度后,充入一定量的氫氣,通過控制充氫時(shí)間控制試樣中的氫含量,保溫2h后空冷至室溫。利用Sartorius ME235S分析天平通過稱重法測(cè)量試樣的氫含量,分析天平的感量為1×10-5g。采用連續(xù)升溫金相法[11]研究氫對(duì) TC21合金相變溫度的影響,試樣的尺寸為10mm×10mm×2mm,淬火溫度為 800～980℃,溫度間隔為 10℃;在 Gleeble-1500D熱模擬機(jī)上對(duì)不同置氫量的 TC21合金試樣進(jìn)行等溫恒應(yīng)變速率熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn),研究氫對(duì) TC21合金高溫變形行為的影響規(guī)律,實(shí)驗(yàn)溫度分別為800,840,880℃和920℃,應(yīng)變速率分別為 0.001,0.01,0.1s-1和1s-1,試樣的變形量為50%。壓縮試樣的尺寸為φ8mm×12mm。

圖1 TC21合金棒材顯微組織Fig.1 Microstructure of TC21 alloy bar

2 結(jié)果與討論

2.1 氫對(duì)相變溫度的影響

TC21合金在相變點(diǎn)溫度附近高溫淬火后的顯微組織如圖 2所示。從圖 2可明顯看出,氫含量為0.004%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)的合金,即 TC21原始合金,相變溫度在950～960℃之間,取955℃作為其相變溫度,而氫含量為 0.50%的合金,相變溫度在 810～820℃之間,取815℃作為其相變溫度。當(dāng)淬火溫度在相變溫度以下時(shí),TC21合金組織大部分為針狀馬氏體組織,組織中含有少量的初生α相,且初生α相尺寸較小。當(dāng)溫度上升到相變溫度以上時(shí),組織中為完全馬氏體組織,并且可以看到β晶界的產(chǎn)生,說明在該溫度時(shí)組織已經(jīng)形成了大的β晶粒。另外,值得注意的是當(dāng)淬火溫度在相變溫度以下時(shí),雖然只有少量的初生α相存在,卻很有效地限制β大晶粒的生成,也就是說少量的初生α相能夠阻止β相的長大,當(dāng)淬火溫度上升到相變溫度以上時(shí),β相失去了初生α相的抑制而迅速長大,造成了組織的粗大,這說明初生α對(duì)于改善兩相鈦合金的組織性能是有利的,因此兩相鈦合金的鍛造溫度一般選取在相變溫度以下進(jìn)行。

圖2 置氫TC21合金淬火顯微組織(a)0.004%,950℃;(b)0.004%,960℃;(c)0.50%,810℃;(d)0.50%,820℃Fig.2 Microstructure of hydrogenated TC21 alloy after quenching(a)0.004%,950℃;(b)0.004%,960℃;(c)0.50%,810℃;(d)0.50%,820℃

氫含量對(duì) TC21合金相變溫度影響如圖3所示,可見,相變溫度隨氫含量的增加呈下降趨勢(shì),低氫階段,降幅較大,隨著氫含量的增加,相變點(diǎn)逐漸趨于穩(wěn)定。TC21合金的相變溫度為955℃,置氫0.10%后,相變溫度降低至 875℃,降幅達(dá) 80℃,氫含量大于0.50%后,相變溫度基本保持不變,置氫0.70%后,相變溫度為810℃。

圖3 氫含量對(duì)TC21合金相變溫度的影響Fig.3 The effect of hydrogen content on TC21 alloy transus temperature

2.2 氫對(duì)變形行為的影響

2.2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

置氫 TC21合金不同變形溫度條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示,變形溫度分別為800,840,880℃和920℃。結(jié)果顯示,溫度較低時(shí),動(dòng)態(tài)軟化占主導(dǎo)地位,隨著應(yīng)變的增加,流動(dòng)應(yīng)力不斷降低;置氫后,動(dòng)態(tài)軟化效果降低,并且置氫合金的流動(dòng)應(yīng)力均低于未置氫合金的,隨著溫度的升高,當(dāng)流動(dòng)應(yīng)力越過峰值后,快速降低至穩(wěn)態(tài),加工硬化與動(dòng)態(tài)軟化達(dá)到平衡,流動(dòng)應(yīng)力不受應(yīng)變的影響,并且置氫合金與未置氫合金的流動(dòng)應(yīng)力均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),因此它們同屬于熱敏感型材料;同時(shí)可以看出,氫含量不同,流動(dòng)應(yīng)力下降的幅度不同,溫度較高時(shí),置氫合金的流動(dòng)應(yīng)力下降的幅度較小,導(dǎo)致置氫合金的流動(dòng)應(yīng)力均高于未置氫合金的,大體表現(xiàn)為隨著氫含量的增加,流動(dòng)應(yīng)力增加。需要指出的是在840℃與880℃時(shí),未置氫合金仍表現(xiàn)出明顯的動(dòng)態(tài)軟化特征,而置氫合金加工硬化與動(dòng)態(tài)軟化已達(dá)到平衡,說明其軟化機(jī)制不同,而920℃時(shí)未置氫合金應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與置氫合金840℃時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系相一致,表明置氫與升溫可以使合金達(dá)到同樣效果的變形行為。

圖4 不同溫度條件下置氫 TC21合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(ε·=1s-1)(a)800℃;(b)840℃;(c)880℃;(d)920℃Fig.4 The flow stress-strain curves of hydrogenated TC21 alloy at different temperatures(ε·=1s-1)(a)800℃;(b)840℃;(c)880℃;(d)920℃

置氫 TC21合金不同變形速率條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示,應(yīng)變速率分別為0.001,0.01,0.1s-1和1s-1。結(jié)果顯示,實(shí)驗(yàn)條件下動(dòng)態(tài)軟化占主導(dǎo)地位,隨著應(yīng)變的增加,流動(dòng)應(yīng)力降低,置氫后軟化效果降低。隨著應(yīng)變速率的增加,置氫合金與未置氫合金流動(dòng)應(yīng)力均呈現(xiàn)升高的變化趨勢(shì),說明置氫 TC21合金是正應(yīng)變速率敏感型材料,并且在各種應(yīng)變速率條件下,置氫合金流動(dòng)應(yīng)力均低于未置氫合金的。

圖5 不同應(yīng)變速率條件下置氫TC21合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(T=800℃)(a)1s-1;(b)0.1s-1;(c)0.01s-1;(d)0.001s-1Fig.5 The flow stress-strain curves of hydrogenated TC21 alloy at different strain rates(T=800℃)(a)1s-1;(b)0.1s-1;(c)0.01s-1;(d)0.001s-1

未置氫合金在920℃,1s-1變形時(shí),流動(dòng)應(yīng)力越過應(yīng)力峰后,突然下降,這是因?yàn)樵谧冃芜^程中,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率快,容易被溶質(zhì)原子釘扎,隨著變形量的增加,位錯(cuò)塞積越來越嚴(yán)重,導(dǎo)致應(yīng)力集中,到一定程度時(shí)合金便會(huì)在有利的方向上繼續(xù)變形,導(dǎo)致應(yīng)力急劇下降,在其他種類鈦合金的熱變形中也觀察過類似的現(xiàn)象[12];同時(shí),置氫合金在840℃時(shí)就表現(xiàn)出相同的現(xiàn)象,這是因?yàn)闅湓阝伜辖鹬杏休^好的擴(kuò)散性,占據(jù)大量的空位,降低溶質(zhì)元素對(duì)位錯(cuò)的釘扎,促進(jìn)了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)[13],使合金在較低的溫度下,較早地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)硬化與動(dòng)態(tài)軟化的平衡。

2.2.2 穩(wěn)態(tài)應(yīng)力與氫含量關(guān)系

應(yīng)變速率為1s-1,不同變形溫度條件下氫含量對(duì)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力的影響如圖6所示(ε=50%),結(jié)果顯示,溫度較低時(shí),隨著氫含量的增加,穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力呈上拋物線變化規(guī)律;氫含量為0.27%時(shí),穩(wěn)態(tài)應(yīng)力達(dá)到極小值為202MPa(800℃),與未置氫合金相比降低了28%;隨著溫度的升高,氫含量對(duì)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力的影響減弱,其關(guān)系曲線趨于平緩,并且穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力的極小值向低氫方向移動(dòng),880℃時(shí)穩(wěn)態(tài)應(yīng)力極小值所對(duì)應(yīng)的氫含量左移至0.15%,當(dāng)溫度進(jìn)一步升高,達(dá)到920℃時(shí),隨著氫含量的增加,穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力幾乎呈線性增加,穩(wěn)態(tài)應(yīng)力極小值所對(duì)應(yīng)的氫含量為0.004%,如圖6(a)所示。取穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力極小值所對(duì)應(yīng)的氫含量為最佳氫含量,最佳氫含量與溫度的關(guān)系如圖6(b)所示,利用線性擬合,獲得最佳氫含量與溫度的關(guān)系式:

式中:C為最佳氫含量,%;T為溫度,℃。

隨著溫度的升高,最佳氫含量線性降低,這一規(guī)律與文獻(xiàn)[14]中關(guān)于 TC4鈦合金的最佳氫含量隨溫度變化趨勢(shì)的報(bào)道相一致。

通過不同溫度條件下穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力與氫含量關(guān)系曲線的對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn),840℃時(shí)未置氫合金的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力為216MPa,高于800℃時(shí)氫含量為0.28%合金的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力;而880℃時(shí)未置氫合金的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力為158MPa,與840℃時(shí)氫含量為0.20%合金的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力相當(dāng),這意味著從流動(dòng)應(yīng)力的角度出發(fā),在一定溫度范圍內(nèi),置氫可以使 TC21合金的熱變形溫度降低40℃以上。

變形溫度為800℃,不同應(yīng)變速率條件下穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力與氫含量的關(guān)系如圖7所示(ε=50%)。研究表明,隨著氫含量的增加,穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力呈上拋物線變化趨勢(shì),氫含量為0.24%時(shí),穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力達(dá)到極小值為120MPa(0.1s-1),隨著應(yīng)變速率的降低,氫含量對(duì)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力的影響降低,穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力的極小值所對(duì)應(yīng)的氫含量向低氫方向移動(dòng),與溫度的影響相同,建立最佳氫含量與應(yīng)變速率的關(guān)系,如圖7(b)所示,通過線性擬合,獲得最佳氫含量與應(yīng)變速率的關(guān)系式:

圖6 不同溫度條件下氫含量對(duì) TC21合金穩(wěn)態(tài)應(yīng)力的影響(ε·=1s-1)(a)穩(wěn)態(tài)應(yīng)力-氫含量;(b)最佳氫含量-溫度Fig.6 The effect of hydrogen content on steady state stress of TC21 alloy at different temperatures(ε·=1s-1)(a)steady state stress-mass fraction of hydrogen;(b)optimal mass fraction of hydrogen-temperature

式中:C為最佳氫含量,%;ε·為應(yīng)變速率,s-1。

最佳氫含量與應(yīng)變速率對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系,隨應(yīng)變速率對(duì)數(shù)的增加而增加。對(duì)比不同應(yīng)變速率條件下的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力與氫含量的關(guān)系,從流動(dòng)應(yīng)力的角度出發(fā),可以看出置氫可以提高應(yīng)變速率一個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖7 不同應(yīng)變速率條件下氫含量對(duì)TC21合金穩(wěn)態(tài)應(yīng)力的影響(T=800℃)(a)穩(wěn)態(tài)應(yīng)力-氫含量;(b)最佳氫含量-應(yīng)變速率Fig.7 The effect of hydrogen content on steady state stress of TC21 alloy at different strain rates(T=800℃)(a)steady state stress-mass fraction of hydrogen;(b)optimal mass fraction of hydrogen-strain rate

綜上可見,氫含量對(duì)穩(wěn)態(tài)應(yīng)力的影響與變形溫度和應(yīng)變速率有關(guān),變形溫度越低、應(yīng)變速率越高,氫含量對(duì)穩(wěn)態(tài)應(yīng)力的影響越顯著。

不同變形條件下氫含量對(duì)TC21合金穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力的影響呈規(guī)律性變化,這是由置氫后 TC21合金組織結(jié)構(gòu)的變化引起的。相關(guān)的研究表明,對(duì)于兩相鈦合金,置氫后,同時(shí)存在對(duì)α相軟化作用和對(duì)β相的強(qiáng)化作用[15-17]。TC21合金置氫后,相變溫度顯著降低,如圖3所示。高溫變形過程中β相比例增加,并且由于氫促進(jìn)了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),軟化了α相,因此隨著氫含量的增加流動(dòng)應(yīng)力大幅度降低;同時(shí),氫在β相中的固溶度較高,固溶強(qiáng)化效果明顯,并且高氫含量區(qū),氫元素短程有序,使β相強(qiáng)化,隨著β相比例的增加,這種強(qiáng)化作用逐漸起到主導(dǎo)作用,流動(dòng)應(yīng)力隨著氫含量的增加呈上升趨勢(shì)。

3 結(jié)論

(1)置氫后 TC21合金的相變溫度顯著降低,置氫0.7%的 TC21合金相變溫度為810℃,與原始合金相比,降幅達(dá)145℃,這將對(duì) TC21合金的熱變形行為產(chǎn)生重要影響。

(2)置氫不僅影響 TC21合金流動(dòng)應(yīng)力的大小,而且影響其變形過程中的軟化機(jī)制。

(3)低溫、高應(yīng)變速率條件下氫對(duì) TC21合金的流動(dòng)應(yīng)力影響顯著,適量的氫可以有效降低 TC21合金的流動(dòng)應(yīng)力,并且相同應(yīng)力水平條件下,置氫能夠?qū)崿F(xiàn)變形溫度降低40℃,應(yīng)變速率提高一個(gè)數(shù)量級(jí),改善鈦合金的熱加工性能。

[1] 李梁,孫鍵科,孟祥軍.鈦合金的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].鈦工業(yè)進(jìn)展,2004,21(5):19-24.

[2] 付艷艷,宋月清,惠松驍,等.航空用鈦合金的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].稀有金屬,2006,30(6):850-856.

[3] 趙永慶,奚正平,曲恒磊.我國航空用鈦合金材料研究現(xiàn)狀[J].航空材料學(xué)報(bào),2003,23(增刊1):215-219.

[4] 趙永慶,曲恒磊,馮亮.高強(qiáng)高韌損傷容限型鈦合金 TC21研制[J].鈦工業(yè)進(jìn)展,2004,(2):22-24.

[5] SENKOV O N,FROES F H.Thermohydrogen processing of titanium alloys[J].International Journal of Hydrogen Energy,1999,24:565-576.

[6] GOL TSOV V A.Hydrogen treatment(processing)of materials:current status and prospects[J].Journal of Alloys and Compounds,1999,293-295:844-857.

[7] 侯紅亮,李志強(qiáng),王亞軍,等.鈦合金熱氫處理技術(shù)及其應(yīng)用前景[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),2003,13(3):533-549.

[8] ZONG Y Y,SHAN D B,LV Y,et al.Effect of 0.3wt%H addition on the high temperature deformation behaviors of Ti-6Al-4V alloy[J].International Journal of Hydrogen Energy,2007,32(16):3936-3940.

[9] 孫中剛,侯紅亮,李紅,等.氫處理對(duì) TC4鈦合金組織及室溫變形性能的影響[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),2008,18(5):789-793.

[10] FENGJ C,LIU H,HE P,et al.Effects of hydrogen on diffusion bonding of hydrogenated Ti6Al4V alloy containing 0.3 wt%hydrogen at fast heating rate[J].International Journal of Hydrogen Energy,2007,32(14):3054-3058.

[11] 李玉濤,耿林,徐斌,等.TC11鈦合金相變點(diǎn)的測(cè)定與分析[J].稀有金屬,2006,30(2):231-234.

[12] 洪權(quán),張振棋.Ti-6A1-2Zr-1Mo-1V合金的熱變形行為[J].航空材料學(xué)報(bào),2001,21(1):10-12.

[13] MURZINOVA M A,SALISHCHEV G A,AFONICHEV D D.Formation of nanocrystalline structure in two-phase titanium alloy by combination of thermohydrogen processing with hot working[J].International Journal of Hydrogen Energy,2002,27(7):775-782.

[14] SHAN D B,ZONG Y Y,LV Y,et al.The effect of hydrogen on the strengthening and softening of Ti-6Al-4V alloy[J].Scripta Mater,2008,58(6):449-452.

[15] SENKOV O N,JONASJ J.Dynamic strain aging and hydrogeninduced softening in alpha titanium[J].Metallurgical Transactions,1996,27A(7):1877-1888.

[16] SENKOV O N,JONASJ J.Effect of phase composition and hydrogen level on the deformation behavior of titanium-hydrogen alloys[J].Metallurgical Transactions,1996,27A(7):1869-1876.

[17] SENKOV O N,JONAS J J.Effect of strain rate and temperature on the flow stress of beta-phase titanium-hydrogen alloys[J].Metallurgical Transactions,1996,27A(5):1303-1312.

Effects of Hydrogen on Hot Deformation Behavior of TC21 Alloys

JIANGBo1,WANG Yao-qi1,HOU Hong-liang1,NIU Yong2,LI Miao-quan2
(1 Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute,Beijing 100024,China;2 School of Materials Science and Engineering,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China)

The effects of hydrogen on the transformation temperature and hot deformation behavior of TC21 alloys were investigated through microscopic analysis and isothermal compression tests respectively.The results indicate that the transformation temperature of TC21 alloys decreases significantly after hydrogenating,so that the transformation temperature of TC21 alloys containing 0.7%(mass fraction)H is 810℃,which decreases by 145℃compared with natural hydrogen.Meanwhile,the flow stress of TC21 alloys decreases effectively too after hydrogenating and the effects of hydrogen on flow stress become obvious with deformation temperature decreasing and strain rate increasing.The steady state stress of TC21 alloys containing 0.28%H reaches 202MPa,which decreases by 28%compared with natural hydrogen.Under the same stress level,deformation temperature decreases by 40℃and strain rate increases one order of magnitude after hydrogenating.

TC21 alloy;hydrogenation;hot deformation behavior

TG146.2

A

1001-4381(2011)05-0070-06

2009-12-28;

2010-11-15

姜波(1977—),男,工程師,碩士,從事鈦合金熱加工方面的研究工作,聯(lián)系地址:北京340信箱106分箱(100024),E-mail:jiangxiaohang526@126.com

王耀奇(1978—),男,工程師,碩士,從事鈦合金加工改性方面的研究工作,聯(lián)系地址:北京340信箱106分箱(100024),E-mail:laiflying1123@163.com