王 旭， 曹京霞， 黃 旭

(北京航空材料研究院，北京100095)

Ti3Al 基合金是具有低密度、高比強度、高彈性模量以及優(yōu)異的抗氧化性和耐腐蝕性的金屬間化合物。隨著航空航天等飛行器對耐溫要求的不斷提高，傳統(tǒng)的高溫鈦合金已不能滿足要求，具備更高比強度、比剛度及耐溫能力的Ti3Al 基合金成為航空航天領(lǐng)域更具潛力的高溫結(jié)構(gòu)材料［1］。

但由于Ti3Al 基合金室溫塑性差、成形困難及制造成本高［2，3］等缺點，從而限制了它們的廣泛應(yīng)用。而超塑性成型工藝被認(rèn)為是解決該類材料難加工成形問題的最好方法之一。Ti3Al 基合金的超塑性研究開始于20 世紀(jì)90年代，并取得了許多研究成果［4～13］。但以往的超塑性變形研究都是通過一系列復(fù)雜的熱處理工藝獲得典型的等軸細(xì)晶組織，以實現(xiàn)材料的高應(yīng)變速率或低溫超塑性，對具有非典型等軸細(xì)晶組織的Ti3Al 基合金的超塑性研究較少，但此類研究更具有工業(yè)應(yīng)用價值。本工作研究了名義成分為Ti-24Al-15Nb-1Mo 的Ti3Al 基合金(簡稱為TD3 合金)熱軋板材的超塑性行為。

1 實驗

試驗使用了厚度為1.9mm(T1 板材)和2.6mm(T2 板材)兩種規(guī)格的TD3 合金熱軋薄板，最終一火熱軋的多道次累積變形量分別為62%和48%，兩種規(guī)格的薄板均經(jīng)過990℃固溶處理，其微觀組織如圖1 所示，為雙態(tài)組織，初生α2相呈現(xiàn)為等軸與拉長混合的特征，基體為轉(zhuǎn)變β 組織。

超塑性性能測試用試樣沿板材軋制方向制取，采用如圖2 所示的板形試樣，試樣厚1.5mm，工作部分寬度為2.5mm，長度為10mm。試驗溫度選在900 ～1020℃之間，應(yīng)變速率為2 ×10－4～2 ×10－2s－1。用美國FEI 公司Quanta 600 環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察(SEM)超塑性變形前后試樣的組織變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 TD3 合金板材的超塑性能

T1 板材和T2 板材的超塑性試驗結(jié)果如表1 所示。從表中可以看出940℃以上TD3 合金板材就具備了比較好的超塑性能。

T1 和T2 板材均在980 ～1020℃以應(yīng)變速率2×10－4～2 ×10－3s－1拉伸時獲得良好的超塑性能。其最大延伸率均在1020℃，2 ×10－4s－1條件下獲得，最大延伸率分別為617.5%和859.5%。通過斜率法［14］計算T1 和T2 板材在980℃和1020℃時的m值分別為0.34，0.33，0.43，0.32。我們可以看到m值的大小與延伸率大小并不一致，這一結(jié)果與卡依勃舍夫［15］的觀點一致，卡依勃舍夫認(rèn)為m 值至多表示獲得高塑性的可能性，而不是塑性的絕對值。

圖1 TD3 合金熱軋板材的SEM 顯微組織(a)T1 板材;(b)T2 板材Fig.1 SEM microstructure of TD3 alloy sheets (a)T1 sheet;(b)T2 sheets

圖2 試樣幾何尺寸Fig.2 Geometry of the superplastic tensile specimens

表1 TD3 合金板材的超塑性性能Table 1 Data obtained from the TD3 alloy superplastic sheets

從表1 中我們可以看到T1 板材的延伸率與相同測試條件下T2 板材相比要小很多，從圖1 可知，T2 板材微觀組織中的初生α2相較T1 板材數(shù)量更多，尺寸較小，分布更均勻，存在更多的α2/α2晶界，這將更有利于降低晶界滑動抗力，獲得更好的超塑性能［11］。

2.2 塑性變形后的TD3 合金顯微組織

T2 板材在變形速率為2 ×10－2s－1變形溫度為900 ～1020℃拉伸后工作部分的顯微組織如圖3 所示。T2 板材在變形溫度為980℃不同變形速率下工作部分的顯微組織如圖4 所示。

從圖3 可知，在變形條件為2 ×10－2s－1，900℃拉伸后，試樣仍保留有原始的組織形貌。在940℃時，拉長的初生α2相已經(jīng)開始斷裂并明顯粗化。在四個溫度中，980℃拉伸后的顯微組織最接近典型的等軸細(xì)晶。

由圖4 可知，在變形早期，拉長初生α2相首先細(xì)化(圖4a)，之后通過動態(tài)再結(jié)晶使試樣顯微組織細(xì)化(圖4b)，而在隨后的超塑性變形過程中，晶粒尺寸增大，晶粒邊界圓弧化(圖4c)。結(jié)合圖3 可知超塑性變形溫度越高，晶粒長大程度越大。

綜合圖3 和圖4 可知980℃時試樣的顯微組織初步的呈等軸細(xì)晶組織，且隨著應(yīng)變速率的降低初生α2相的體積分?jǐn)?shù)逐漸升高，從而得到更多的α2/α2晶界，此類晶界的晶界滑動抗力較小，這有利于超塑性能的發(fā)揮［11］。

T1 板材以及T2 板材其他測試條件下拉伸后的顯微組織具有與圖3 和圖4 所示相同的規(guī)律。

圖5 為T2 板材部分測試條件下的顯微組織。從圖中可以看到980℃下的晶粒均比1020℃時的晶粒小。應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m 值的高低與晶界滑動所占比例密切相關(guān)［16］。晶界滑動所占比例較高，m 值則較高，反之較低。而晶粒尺寸越小，單位面積的晶界面積則越大，越有利于晶界滑動，即使在相對低溫或高速變形條件下晶界滑動也能占較大比例［16］。這與計算獲得的980℃時的m 值大于1020℃狀態(tài)下的m 值的結(jié)論相符合。說明非典型等軸細(xì)晶組織的TD3 板材在1020℃狀態(tài)下超塑性變形過程中晶界滑動所占的比率較等軸細(xì)晶組織超塑性變形時要小。

圖3 2×10-2s-1變形速率不同拉伸溫度下T2板材工作部分SEM顯微組織Fig. Selected SEM microstructures obtained from the T2 superplastic sheet（a）2×10-2s-1/900°C；（b）2×10-2s-1/940°C（c）2×10-2s-1/980°C（d）2×10-2s-1/1020°C

圖4 980°C不同變形速率下T2板材工作部分SEM顯微組織Fig.4 Selected SEM microstructures obtained from the T2 superplastic sheet（a）980°C/2×10-2s-1；（b）980°C/2×10-3s-1；（c）980°C/2×10-4s-1；

綜上所述，TD3 合金在應(yīng)變溫度為940 ～1020℃，應(yīng)變速率為2 ×10－4～2 ×10－3s－1的實驗條件下均表現(xiàn)出良好的超塑性，其最大延伸率達到859.5%。大量試驗表明，超塑性變形是有晶界滑動、晶內(nèi)位錯運動和擴散等多種機制組合共同實現(xiàn)的［16］。Ti3Al 超塑性變形的主要機制是晶界滑動［1］，并伴隨著其他微觀機理。在應(yīng)變溫度為1020℃時TD3 合金板材具有良好的超塑性，但其m值較小，說明TD3 鈦合金板材的超塑性變形的主要機制仍然是晶界滑動，但晶內(nèi)變形以及位錯蠕變所起的作用比其在等軸細(xì)晶態(tài)超塑性變形時的作用要大得多。

3 結(jié)論

(1)大塑性變形后，TD3 合金板材的板條晶將會細(xì)化，并逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小等軸組織。

(2)熱軋TD3 合金板材在應(yīng)變溫度為940 ～1020℃，應(yīng)變速率在2 ×10－4～2 ×10－3s－1的試驗條件下具有良好的超塑性能，當(dāng)應(yīng)變溫度為1020℃，應(yīng)變速率為2 ×10－4s－1時，1.9mm 和2.6mm 板材的最大延伸率分別為617.5%和859.5%。

(3)對非典型等軸細(xì)晶的熱軋TD3 合金板材，無需經(jīng)過復(fù)雜的預(yù)先熱處理，同樣可以得到良好的超塑性，實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，更具有經(jīng)濟實用價值。

圖5 T2 板材部分狀態(tài)下的SEM 顯微組織Fig.5 Selected SEM microstructures obtained from the T2 superplastic sheet(a)980℃，2 ×10 －3 s －1;(b)980℃，2 ×10 －4 s －1;(c)1020℃，2 ×10 －3 s －1;(d)1020℃，2 ×10 －4s －1

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