李成銘， 李 萍， 趙 蒙， 薛克敏

(合肥工業(yè)大學 材料科學與工程學院，合肥230009)

鈦具有儲氫、超導、耐蝕、重量輕、形狀記憶、超彈和高阻尼等特殊功能，是新型功能材料和重要的生物材料。目前鈦合金在單相區(qū)的變形機制和微觀組織演變規(guī)律方面的研究較成熟，但就目前復雜變形工藝和雙相組織變形過程的研究成果多數(shù)還處于定性的研究階段［1］。因此，進一步研究鈦合金熱變形機制及微觀組織演變規(guī)律對于優(yōu)化鈦合金熱加工工藝參數(shù)、預測和控制鈦合金熱加工組織、提高鈦合金產(chǎn)品性能具有重要意義，這方面的研究一直是國內外學者研究的重點［2～8］。

TA15 鈦合金具有高比強度、抗蠕變性和耐腐蝕性及良好的焊接性能，在航空領域應用廣泛，如飛機格框、機匣等［9～11］。為了保證零件的性能，需要嚴格制定熱成形工藝方案以控制變形過程的組織演變，獲得理想的性能。變形量、溫度和應變速率對微觀組織演變過程有顯著影響［12～15］，因此，本工作探究了TA15 鈦合金在高溫下變形過程中應力-應變特點和組織演化的規(guī)律，并研究了變形量、溫度和應變速率對TA15 鈦合金高溫變形行為的影響。

1 實驗

本工作采用熱模擬實驗和觀測方法，分析TA15鈦合金在不同熱工藝參數(shù)下的流動應力-應變曲線和組織演變規(guī)律。

TA15 是一種高Al 當量近α 鈦合金，其名義化學成分(質量分數(shù)/%)為Al 6.96，V 2.31，Zn 2，Mo 1.7，其余是Ti。實驗試樣尺寸為φ10mm×15mm 的圓柱體，實驗材料經(jīng)差熱分析法(DSC)測定(α +β)/β 相變點在970 ～980℃之間。在Gleeble-3500實驗機上進行等溫壓縮實驗，試樣升溫速率為10℃/s，熱加工參數(shù)為:應變速率0.01 ～1s－1;變形量40%和60%;變形溫度900 ～1050℃。在1000℃以下進行壓縮實驗前要保溫3min，因為鈦合金的導熱性較差，在1000℃以上變形前保溫1min 以防止晶粒過度長大，變形過程采用B 型熱電偶對溫度進行實時測量以保證試樣溫度能夠準確反饋并對其進行有效控制。在變形后立即噴霧水淬以保持高溫變形時的組織形態(tài)。變形試樣沿軸線切開，制樣后在4XB-TV 型倒置金相顯微鏡上觀察變形區(qū)變形后組織，再對試樣采用電解拋光處理后進行EBSD 測試。

2 結果與分析

2.1 流變應力行為分析

對等溫熱壓縮實驗獲得的TA15 鈦合金在不同工藝參數(shù)下的真應力-真應變曲線進行摩擦修正［16，17］，如圖1 所示?？梢钥闯?(1)隨應變量增加流動應力迅速上升，有明顯加工硬化，流動應力出現(xiàn)峰值之后開始下降并趨于穩(wěn)定流變狀態(tài)，軟化作用與加工硬化趨于平衡，真應力-真應變曲線在達到一定臨界應變時有翹曲現(xiàn)象，溫度越低翹曲顯現(xiàn)越明顯;(2)其他變形條件相同時，穩(wěn)態(tài)流動應力和峰值流動應力都隨變形溫度升高而降低，且降低幅度逐漸減小，隨溫度升高，同一溫度下峰值流動應力與穩(wěn)態(tài)流動應力的差值逐漸減小，并逐漸趨向于0;(3)在變形溫度一定時，流動應力隨應變速率升高而升高。

圖1 通過熱模擬實驗獲得TA15 鈦合金在不同熱變形參數(shù)下應力-應變曲線Fig.1 True stress-strain curves of TA15 titanium alloy obtained by heat physical simulation(a)0.01s －1;(b)0.1s －1;(c)1s －1

材料在熱加工過程中組織會經(jīng)歷一系列動態(tài)軟化行為，例如動態(tài)回復、動態(tài)再結晶等。組織演變的過程直接影響宏觀流動應力的變化。由圖1 可知，在應變速率為0.01s－1和0.1s－1變形條件下，流動應力會出現(xiàn)明顯的單峰值。這表明在此變形條件下，TA15 鈦合金組織發(fā)生了動態(tài)再結晶行為，呈現(xiàn)出典型的單峰型動態(tài)再結晶應力-應變曲線特征。在應變達到一定臨界值時應力的上升可能是壓縮變形時試樣端面變形加大了端部摩擦力對載荷的貢獻，所以其受溫度影響較大，溫度越低上升幅度越大，本實驗已對其實驗結果進行摩擦修正，故最直接的原因可能是由于再結晶新晶粒細化和晶粒內位錯累積提高了流動應力。不同溫度下流動應力-應變曲線的差異是因為其不同的軟化機制，隨溫度的升高其動態(tài)再結晶行為減弱，這是由于在1000℃以上變形時，變形溫度已經(jīng)高于TA15 鈦合金的(α +β)/β 相變點，β 相是體心立方結構(bcc)，具有較高層錯能，層錯能的高低是決定動態(tài)回復進行的充分與否關鍵因素，在高層錯能、多滑移系狀態(tài)下，TA15 鈦合金動態(tài)回復機制軟化行為加強，動態(tài)再結晶行為受到一定抑制。隨應變速率升高和變形溫度降低TA15鈦合金流動應力升高明顯。這是由于變形速率增大，變形時間縮短，位錯密度顯著增大，同時其軟化機制減弱，加工硬化作用明顯;變形溫度降低，對材料的熱激活作用減弱，同時動態(tài)回復和動態(tài)再結晶行為減弱。高溫低速更有利于TA15 鈦合金的變形。

2.2 組織演變分析

圖2 為在不同熱變形參數(shù)下TA15 鈦合金熱變形組織。從圖2a 可以看出，原始組織由等軸α 相和少量針片狀β 相構成。

圖2 不同熱變形條件下TA15 微觀組織(ε=40%)Fig.2 Microstructures of TA15 hot deformation under different conditions (a)initial microstructure;(b)950℃，0.1 s －1;(c)1050℃，0.1 s －1;(d)1050℃，0.01 s －1

圖3 不同變形溫度下的晶粒取向差分布Fig.3 Distribution of misorientation angles of grains at different temperatures(a)950℃;(b)1050℃

圖2b 所示，在950℃熱壓縮變形后的組織中，β相的含量增多，呈針狀，初生等軸α 相有所長大，少量呈長條狀，數(shù)量減少。在相變點以上變形后，若溫度升高，β 相晶粒變得粗大，出現(xiàn)邊界平直的亞晶，β相通過多邊形化使晶粒組織保持等軸狀，邊界處有非常少的再結晶晶粒，如圖2c，d 所示。不同角度晶界的分布情況表征了動態(tài)再結晶形核及長大進行的程度，因此，由晶粒取向差分布(見圖3)可以看出，其他條件一定在相變點以上溫度下變形時，小角晶界的比例稍有增加，這反映出在β 相區(qū)bcc 結構下熱變形，內部軟化機制主要為動態(tài)回復，這與熱模擬實驗應力-應變曲線所反應的結果相一致。圖4 所示為TA15 在變形量為ε = 60% (˙ε = 1 s－1，T =1000℃)下的組織形貌。由圖可知，在此變形量下，組織細化，有球化趨勢，這可能是片層組織的剪切，該過程與應變有關，應變足夠大時，過程進行得較完全［1］，形成細晶強化組織，故其可能是達到一定應變量時應力上升的重要原因。

圖4 TA15 鈦合金在變形量為60%(˙ε=1s－1，T=1000 ℃)下的組織形貌Fig.5 Microstructures of TA15 at 60% hot deformation(˙ε=1s －1，T=1000 ℃)

2.3 織構分析

織構同材料的化學成分和微觀組織一樣，是預測和控制材料性能及變形行為的因素之一。圖5 所示為TA15 合金在不同工藝參數(shù)下晶粒取向分布。由圖5a(˙ε =0.01s－1，T=950℃)可以看出，無論是α 相還是β 相晶粒表現(xiàn)出較強取向為〈100〉∥壓縮軸的再結晶織構，〈100〉在掃描區(qū)分布率較高，但是隨著變形溫度升高為1050℃，如圖5b(˙ε=0.01s－1，T=1050℃)所示，取向〈100〉∥壓縮軸的織構強度有所減弱，各取向分布較均勻，所以在β 相區(qū)進行熱變形是一個可以有效改善材料各向同性性能的方法。圖5c(˙ε =1s－1，T =950℃)所示，當應變速率由0.01s－1提高到1s－1時，〈100〉∥壓縮軸的織構取向仍強于其他取向，但是在掃描區(qū)內分布率減少，織構偏向于平行橫向，如圖6 不同晶面極圖所示。分析認為，在β 相區(qū)變形，由于軟化機制中動態(tài)再結晶程度有所下降，動態(tài)回復機制增強，組織中存在部分形變晶粒和回復長大晶粒，由再結晶生成的〈100〉∥壓縮軸織構取向晶粒有所減少;在應變速率為1s－1時，晶粒取向性有所加強是由于變形時間的縮短致使形變織構加強。

3 結論

(1)TA15 鈦合金在高溫變形時，應變速率、變形溫度和變形量都對其流變現(xiàn)象和組織形態(tài)存在影響。材料的流動應力隨著應變速率提高而增大，隨變形溫度升高而降低。

(2)相變點以下，初生等軸α 相有所長大，少量呈長條狀，β 相的含量增多，呈針狀;相變點以上，β相晶粒變得粗大，出現(xiàn)邊界平直的亞晶，β 相通過多 邊形化使晶粒組織保持等軸狀。

圖5 TA15 合金在不同工藝參數(shù)下組織分布反極圖Fig.5 Inverse pole figures of microstructures of TA15 hot deformation under different conditions(a)950℃，0.01s －1;(b)1050℃，0.01s －1;(c)950℃，1s －1

圖6 在=1s－1，ε=60%，T=950℃條件下形變組織的極圖Fig.6 Pole figures of microstructure of TA15 titanium alloy:=1s －1，ε=60%，T=950℃

(3)在高溫熱變形過程中，TA15 在﹙ α +β ﹚兩相區(qū)的軟化機制主要是動態(tài)再結晶，在β 相區(qū)的軟化機制主要是動態(tài)回復。

(4)相變點以下低應變速率下獲得再結晶織構，相變點以上高應變速率下得到形變織構。

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