李建偉，劉 瀏，2，鄒宗樹(shù)

(1.東北大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110819)(2.鋼鐵研究總院，北京 100081)

0 引 言

TiAl金屬間化合物合金(以下簡(jiǎn)稱TiAl合金)具有高比強(qiáng)度、高比模量以及優(yōu)良的抗蠕變和高溫抗氧化性能，是當(dāng)前極具發(fā)展?jié)摿Φ暮娇蘸教煊酶邷亟Y(jié)構(gòu)材料[1]。然而TiAl合金室溫塑性低，極大地限制了其在工程上的應(yīng)用[2]。擠壓、鍛造、軋制等熱加工可以顯著提高TiAl合金的室溫塑性，改善綜合力學(xué)性能[3]，因此TiAl合金的高溫變形行為獲得了廣泛關(guān)注，并成為研究熱點(diǎn)之一。

材料的流動(dòng)應(yīng)力模型(本構(gòu)關(guān)系)可用于表征材料在熱變形過(guò)程中的流動(dòng)應(yīng)力與高溫變形參數(shù)之間的關(guān)系，是金屬材料熱加工工藝參數(shù)優(yōu)化和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是材料變形特性的關(guān)鍵表征。國(guó)內(nèi)外研究人員已對(duì)高溫合金、鈦合金等的流動(dòng)應(yīng)力模型進(jìn)行了大量研究，研究成果對(duì)實(shí)際的熱加工過(guò)程起到了較好的指導(dǎo)作用。而且，研究人員對(duì)TiAl合金的流動(dòng)應(yīng)力模型也有研究，構(gòu)建的模型可以較好地描述TiAl合金的高溫流變行為。然而已有研究多集中于實(shí)驗(yàn)室制備的小尺寸TiAl合金鑄錠[4-6]，而針對(duì)工業(yè)尺度TiAl合金鑄錠本構(gòu)模型方面的研究仍較少。由于工業(yè)尺度TiAl合金鑄錠的組織與小尺寸鑄錠顯著不同，體現(xiàn)在其晶粒尺寸更為粗大，且以柱狀晶為主，使得其熱變形行為也將發(fā)生明顯的變化。

本研究采用等溫?zé)釅嚎s的方法，研究熱壓縮溫度、速度、變形量對(duì)TiAl合金高溫變形時(shí)流變行為的影響規(guī)律，并利用最小二乘法建立TiAl合金高溫變形時(shí)的流動(dòng)應(yīng)力模型，以期為TiAl合金熱加工工藝參數(shù)的制定提供理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

采用真空自耗電弧熔煉(VAR)方法制備規(guī)格為φ220 mm×500 mm的TiAl合金鑄錠，其低倍及高倍組織如圖1所示。從圖1可以看出， TiAl合金鑄錠呈現(xiàn)粗大的柱狀晶組織，這主要是由于該TiAl合金凝固路線經(jīng)過(guò)α單相區(qū)所致，柱狀晶的寬度平均為700 μm。沿TiAl合金鑄錠縱向切取直徑為10 mm、長(zhǎng)度為18 mm的圓柱試樣16支。將切取的圓柱試樣在Gleeble-1500試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行熱壓縮，試樣經(jīng)感應(yīng)加熱至設(shè)定溫度后保溫5 min再進(jìn)行壓縮，壓縮變形量均為50%，壓縮溫度分別為1 050、1 100、1 150、1 200 ℃，壓縮應(yīng)變速率分別為0.001、0.01、0.1、1 s-1，試樣經(jīng)過(guò)熱壓縮后進(jìn)行水淬冷卻，以保留TiAl合金高溫壓縮時(shí)的變形組織。采用Zeiss 1525型掃描電鏡的電子背散射衍射(EBSD)技術(shù)觀測(cè)壓縮后TiAl合金的微觀組織。

圖1 TiAl合金鑄錠低倍與高倍組織照片F(xiàn)ig.1 Macrostructure(a) and microstructure(b) of TiAl alloy ingot

2 結(jié)果與討論

2.1 TiAl合金的流變行為

材料的真應(yīng)力- 真應(yīng)變曲線反映了材料變形抗力與變形參數(shù)之間的關(guān)系，由材料的組織、性能變化所決定[7]。圖2給出了TiAl合金在不同應(yīng)變速率下的真應(yīng)力- 真應(yīng)變曲線。由圖2可以看出，在變形初始階段，TiAl合金呈現(xiàn)加工硬化特征，當(dāng)流動(dòng)應(yīng)力達(dá)到峰值后合金的流變軟化作用成為主要特征。隨著應(yīng)變的進(jìn)一步增大，TiAl合金變形的流動(dòng)應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定，該現(xiàn)象在低應(yīng)變速率條件下尤為明顯。

圖2 TiAl合金的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.2 True stress-true strain curves of TiAl alloy at different strain rates:(a)0.001 s-1;(b)0.01 s-1;(c)0.1 s-1;(d)1 s-1

TiAl合金鑄錠組織為粗大的柱狀晶，該柱狀晶由粗大的層片團(tuán)組成，層片團(tuán)由α2相與γ相板條交替排列構(gòu)成。圖3為TiAl合金在1 150 ℃/0.1 s-1條件下熱壓縮時(shí)，真應(yīng)變分別為0.05、0.3、0.8時(shí)的EBSD照片。由圖3可以看出，在熱壓縮的初始階段，再結(jié)晶首先發(fā)生在層片晶粒的晶界位置(如圖3a)，變形量進(jìn)一步增大時(shí)這些層片發(fā)生偏轉(zhuǎn)，層片取向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛踩∠?層片板條與壓縮方向垂直)排列，隨著變形量的進(jìn)一步增大，硬取向排列的α2相板條逐漸發(fā)生間斷、球化，由板條形狀轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙?，并最終溶解于γ相基體中，進(jìn)而γ相發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶(如圖3b、3c)。圖4為TiAl合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程中的組織演變示意圖。在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，TiAl合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶主要由γ相的再結(jié)晶所貢獻(xiàn)。在熱變形過(guò)程中，TiAl合金的流動(dòng)應(yīng)力軟化程度較大，且在變形溫度較低時(shí)尤為明顯。這種現(xiàn)象不利于TiAl合金熱變形過(guò)程中應(yīng)變的均勻分布。

圖3 TiAl合金在1 150 ℃/0.1 s-1條件下熱壓縮時(shí)不同真應(yīng)變下的EBSD照片F(xiàn)ig.3 EBSD images of TiAl alloy hot deformed at 1 150 ℃ with a strain rate of 0.1 s-1 ：(a)ε=0.05;(b)ε= 0.3;(c)ε=0.8

圖4 TiAl合金在熱壓縮過(guò)程中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶演變示意圖Fig.4 Schematic diagrams of dynamic recrystallization for TiAl alloy deformed during hot compress

2.2 流動(dòng)應(yīng)力模型的構(gòu)建

(1)

在低流動(dòng)應(yīng)力條件下，式(1)可以用下式表示：

(2)

(3)

圖5 TiAl合金在不同溫度下流動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系圖Fig.5 Relationship between flow stress and strain rate underdifferent temperatures

圖6 TiAl合金在不同應(yīng)變速率下流動(dòng)應(yīng)力與溫度的關(guān)系圖Fig.6 Relationship between flow stress and temperature underdifferent strain rates

為了構(gòu)建合金的流動(dòng)應(yīng)力模型，將式(2)用式(4)表達(dá)。

lnσ=A+BlnZ

(4)

變形量ε是材料在塑性變形過(guò)程中不可忽略的變量，該參數(shù)決定了材料最終的組織及力學(xué)性能。大量研究均表明，在流動(dòng)應(yīng)力模型中引入塑性應(yīng)變量一項(xiàng)可更好的反應(yīng)實(shí)際變形情況，而目前已有的關(guān)于TiAl合金流動(dòng)應(yīng)力模型的研究大多未考慮變形量這一參數(shù)。為此，本研究將變形量這一參量引入方程用于描述TiAl合金流動(dòng)應(yīng)力的變化情況，并提出采用如下公式來(lái)表達(dá)：

A=a1+a2ε+a3ε2+a4ε3+a5ε4+a6ε5

(5)

B=b1+b2ε+b3ε2+b4ε3+b5ε4+b6ε5

(6)

基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用最小二乘法對(duì)方程(5)和方程(6)中的參數(shù)進(jìn)行擬合，求得：

a1=-1 439.1 a2=-798.6 a3=5 332.4

a4=-4 420.8 a5=-2 767.6 a6=3 672.7

b1=62.3 b2=30.2 b3=-274.0

b4=383.3 b5=-149.1 b6=-30.1

采用所構(gòu)建的本構(gòu)方程繪制了TiAl合金在應(yīng)變速率分別為0.001、1 s-1時(shí)的流動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖7所示。經(jīng)計(jì)算，流動(dòng)應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差小于±5%，因此采用本研究建立的流動(dòng)應(yīng)力模型計(jì)算的流動(dòng)應(yīng)力結(jié)果與實(shí)測(cè)值具有較好的一致性。本研究建立的流動(dòng)應(yīng)力模型能夠較好的描述TiAl合金的高溫流變行為，可用于預(yù)測(cè)TiAl合金在不同變形溫度、不同變形速度、不同變形量條件下的流動(dòng)應(yīng)力，可為TiAl合金的擠壓、鍛造、軋制過(guò)程提供重要參考。

圖7 計(jì)算流動(dòng)應(yīng)力與實(shí)測(cè)流動(dòng)應(yīng)力對(duì)比圖Fig.7 Comparison between calculated and measured curves at

3 結(jié) 論

(1)TiAl合金的流變行為對(duì)變形參數(shù)較為敏感，隨著熱加工溫度的升高和熱加工速率的降低，合金的流動(dòng)應(yīng)力逐漸降低。

(2)為了減小熱加工過(guò)程中的變形抗力，TiAl合金適于在較低的變形速率或較高的變形溫度條件下進(jìn)行熱加工。

(3)在TiAl合金熱加工過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)錠坯內(nèi)應(yīng)變的均勻分布有利于獲得均勻的變形組織及性能。

(4)通過(guò)將變形的應(yīng)變量引入本構(gòu)方程，所構(gòu)建的流動(dòng)應(yīng)力模型可以較好的描述TiAl合金的熱變形行為。