周 偉，趙永慶,2，辛社偉，李 倩，李 磊，張思遠(yuǎn)，陳 軍，王 歡,2

(1.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)(2.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072)

0 引 言

Ti5321合金是西北有色金屬研究院開發(fā)的一種新型高強(qiáng)韌鈦合金[1]，該合金經(jīng)強(qiáng)化熱處理后抗拉強(qiáng)度超過1 200 MPa，并且具有良好的斷裂韌性(KIC≥65 MPa · m1/2)，相對(duì)于目前已成熟應(yīng)用的高強(qiáng)韌鈦合金來說，該合金在強(qiáng)韌性能匹配上更能滿足我國航空用損傷容限鈦合金的要求。

金屬材料在加工過程中受溫度、變形量、應(yīng)變速率等因素的影響，而鈦合金片層組織的熱變形及其球化行為一直是國內(nèi)外鈦合金熱加工領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。Miller等[2]在20世紀(jì)90年代研究了Ti-6Al-4V合金片層組織在壓縮和拉伸2種熱加工方式下的變形行為，研究發(fā)現(xiàn)，受織構(gòu)的影響,合金片層組織拉伸變形較壓縮變形應(yīng)力峰值的軟化程度大。陳慧琴等[3]研究了TC11鈦合金片層組織在兩相區(qū)的熱變形行為，通過分析顯微組織認(rèn)為片層組織球化行為是變形應(yīng)力軟化引起的。周建華等[4]研究了TC17鈦合金熱變形過程中片狀組織的演變規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)變形量對(duì)合金片狀組織的球化起決定作用。吳成寶等[5]通過研究TA15鈦合金片層組織的熱變形及組織球化行為發(fā)現(xiàn)，合金變形應(yīng)力對(duì)應(yīng)變速率和溫度敏感。綜上表明，鈦合金片層組織在兩相區(qū)變形，熱加工工藝參數(shù)對(duì)合金變形應(yīng)力及組織演變具有重要的影響。作為新研制開發(fā)的Ti5321高強(qiáng)韌鈦合金，為了實(shí)現(xiàn)合金片狀組織在α+β相區(qū)組織與性能的控制，開展這方面變形行為及顯微組織演變的研究是十分必要的。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用原材料為Ti5321合金棒材，其化學(xué)成分 (w/%)： Al 5.02、Mo 3.03、V 2.99、Cr 2.06、Nb 1.37、Zr 2.01、Fe 0.99、O 0.064、H 0.001 1、N 0.000 4、Ti余量。采用金相法測得合金α/β相變點(diǎn)為860 ℃。從Ti5321合金棒材上切取φ10 mm×70 mm試樣，經(jīng)900 ℃保溫1 h后以0.25 ℃/min的冷卻速度爐冷到700 ℃后空冷。熱處理后Ti5321合金棒材的顯微組織為典型的魏氏片層組織[6]，具有清晰完整的β晶界及晶內(nèi)平直集束α片層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。將熱處理后的φ10 mm×70 mm試樣再加工成φ8 mm×12 mm的熱壓縮試樣。熱壓縮試驗(yàn)在Gleeble-2800型熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為790～850 ℃，應(yīng)變速率為0.01～1 s-1，變形量為30%～70%，試樣變形后水冷。將熱壓縮后的試樣沿垂直于壓縮方向剖開制成金相試樣，再經(jīng)粗、細(xì)磨及拋光處理后，用5%HF+15%HNO3+80%H2O(體積分?jǐn)?shù))的 Kroll腐蝕液[7]腐蝕，采用OLYMPUSPM-G3型金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。

圖1 Ti5321合金棒材的初始片層組織Fig.1 Original lamellar microstructure of Ti5321 alloy bar

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2為Ti5321合金試樣在不同試驗(yàn)條件下經(jīng)熱壓縮變形得到的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。由圖2可以看出，不同變形條件下獲得的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線形狀特征基本相似，即在變形的初始階段應(yīng)力隨應(yīng)變量的增加而增大，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值或出現(xiàn)上、下屈服點(diǎn)后應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而減小并逐漸趨于穩(wěn)定。初始變形時(shí)應(yīng)力增加是變形過程中位錯(cuò)迅速增殖導(dǎo)致的加工硬化的結(jié)果，而隨后的軟化行為則與片層組織球化和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶有關(guān)[8]。當(dāng)硬化和軟化效應(yīng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，變形進(jìn)入穩(wěn)態(tài)流變階段。

圖2 Ti5321合金試樣在不同變形條件下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.2 The true stress-true strain curves of Ti5321 alloy specimens at different deformation conditions

由圖2還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變形溫度一定時(shí)，應(yīng)變速率越大，其流變應(yīng)力的峰值越大。例如，當(dāng)變形溫度為820 ℃，應(yīng)變速率為0.01 s-1和1 s-1時(shí)的流變應(yīng)力峰值分別為118.52 MPa和249.41 MPa，兩者差值為130.89 MPa。這是由于隨著應(yīng)變速率增加，動(dòng)態(tài)軟化行為得不到充分進(jìn)行而導(dǎo)致應(yīng)力增大[9]。同一應(yīng)變速率下，流變應(yīng)力隨變形溫度的升高而降低。例如，應(yīng)變速率為0.1 s-1，變形溫度由790 ℃升高到850 ℃時(shí)，其真應(yīng)力峰值降低了112.8 MPa，說明Ti5321合金屬于熱敏感型合金[10]。

2.2 顯微組織演變

圖3為Ti5321合金試樣在不同試驗(yàn)條件下經(jīng)熱壓縮變形后的顯微組織。由圖3可以看出，變形程度和變形溫度對(duì)合金的組織形貌影響很大。同一變形溫度和應(yīng)變速率下，當(dāng)變形量較小(30%)時(shí)，α片層發(fā)生扭曲并且被拉長，片層厚度變薄，局部片層組織被打碎成細(xì)小顆粒狀球化組織，但由于變形程度較小，顯微組織仍以片層組織為主(圖3a)。與30%壓縮變形組織相比，50%變形后的組織變化明顯，α片層不再是連續(xù)的整體形貌。隨著變形量的增大，局部大的剪切和扭轉(zhuǎn)變形使β相沿著剪切帶深入α相，同時(shí)α相存在明顯的球化趨勢，等軸α顆粒的數(shù)量較30%變形時(shí)增加，如圖3b所示。當(dāng)變形量增大到70%時(shí)，由于變形程度增大，具有較高層錯(cuò)能[11]的β相在變形時(shí)發(fā)生攀移和交滑移，形成多邊形化[12]的再結(jié)晶組織，組織中已經(jīng)觀察不到片狀組織痕跡，破碎的α晶粒短時(shí)間內(nèi)不能長大，組織為細(xì)小橢球狀顆粒，如圖3c所示。

圖3 Ti5321合金試樣不同變形條件下熱壓縮變形后的顯微組織Fig.3 Microstructures of Ti5321 alloy specimens after hot compression at different deformation conditions： (a)820 ℃,0.1 s-1,30%；(b)820 ℃,0.1 s-1,50%；(c)820 ℃,0.1 s-1,70%;(d)790 ℃,0.1 s-1,70%；(e)850 ℃,0.1 s-1,70%；(f)850 ℃,0.01 s-1,70%

當(dāng)應(yīng)變速率和變形量相同時(shí)，在試驗(yàn)范圍內(nèi)的3個(gè)不同溫度變形后其主要變形區(qū)域微觀組織中都觀察到了等軸組織形貌，但是790 ℃變形形成的是片層α相球化組織(圖3d)，而其它2個(gè)溫度發(fā)生了β相的再結(jié)晶(圖3c、3e)，并且隨著變形溫度的升高，再結(jié)晶晶粒呈現(xiàn)粗化、長大趨勢。由于鈦合金導(dǎo)熱性差，α+β相區(qū)變形溫度較高時(shí)，變形熱導(dǎo)致的溫升會(huì)使合金發(fā)生α→β相轉(zhuǎn)變，在隨后的快速冷卻中出現(xiàn)大量針狀馬氏體組織。

同一變形溫度和變形量時(shí)，再結(jié)晶晶粒尺寸隨著應(yīng)變速率的增大而減小(圖3e、3f)。郭強(qiáng)等人[13]認(rèn)為，應(yīng)變速率越大，金屬變形過程中儲(chǔ)存的畸變能越大，導(dǎo)致再結(jié)晶形核區(qū)域增多，晶粒細(xì)化。

3 結(jié) 論

(1)在所有試驗(yàn)設(shè)定的熱壓縮變形條件下，Ti5321合金試樣的應(yīng)力-應(yīng)變行為均表現(xiàn)出先硬化后軟化的曲線特征，變形硬化是位錯(cuò)增殖導(dǎo)致的，而軟化則與片層組織球化和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶有關(guān)。

(2)Ti5321合金試樣在熱壓縮變形時(shí)，應(yīng)變速率和變形溫度對(duì)合金變形抗力影響較大，該合金屬于應(yīng)變速率敏感型和熱敏感型合金。

(3)變形量和變形溫度是影響Ti5321合金片層組織球化及β再結(jié)晶的主要因素。同一變形溫度和應(yīng)變速率下，隨著變形量的增大，片層α相發(fā)生球化及β相再結(jié)晶現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)變速率和變形量相同時(shí)，低溫變形主要發(fā)生片層α相球化行為，高溫變形發(fā)生的是β相的再結(jié)晶。

(4)應(yīng)變速率對(duì)Ti5321合金再結(jié)晶晶粒尺寸影響較大，同一變形溫度和變形量時(shí)，再結(jié)晶晶粒尺寸隨著應(yīng)變速率的增大而減小。