吝媛，楊曉龍，劉偉，李夢，楊奇

（寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

1 前言

近年來，為降低汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)，各國對(duì)提高燃油效率，推進(jìn)汽車輕量化提出了明確的要求[1]。鈦及鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕性好、抗氧化性能好等優(yōu)異特性，在汽車尤其賽車領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，可被用來制作發(fā)動(dòng)機(jī)氣門、閥簧、連桿、緊固件以及排氣系統(tǒng)元件等零部件[2-5]。本文所述Ti-Al-Zr-Nb-Mo-Si 系鈦合金，有較高的Al 含量，屬于近α 型鈦合金，合金相變點(diǎn)約1100℃，同時(shí)該合金具有較高的彈性模量、低的密度、高強(qiáng)度以及較好的耐熱性、抗氧化性等優(yōu)良特性，目前主要在汽車領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

本文利用熱模擬試驗(yàn)機(jī)Gleeble3800 主要研究該種Ti-Al-Zr-Nb-Mo-Si 系鈦合金在熱變形過程中的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律，分析了不同熱變形條件下的組織特征，為穩(wěn)定生產(chǎn)高質(zhì)量合金棒材提供有效指導(dǎo)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用材料在寶雞鈦業(yè)股份有限公司生產(chǎn)線上完成，海綿鈦、中間合金等經(jīng)過真空自耗電弧爐（VAR）3 次熔煉得到合金鑄錠，鑄錠經(jīng)3150 噸水壓機(jī)擠壓開坯后得到該Ti-Al-Zr-Nb-Mo-Si 系合金中間棒坯，試樣在該棒坯上切取，并制成熱變形實(shí)驗(yàn)所需的Φ10×15mm 圓柱狀，最終在Gleeble3800 型熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行恒應(yīng)變速率熱壓縮變形實(shí)驗(yàn)，圖1 為該棒坯的組織形貌。熱壓縮變形實(shí)驗(yàn)的工藝參數(shù)如下：變形溫度為1020℃、1050℃、1080℃、1110 ℃和1020 ℃，應(yīng)變速率為0.01、0.1、1 和5s-1，變形量為50%。試樣加熱時(shí)升溫速率為10℃/s，保溫時(shí)間為300s，為減小試樣和壓頭之間的摩擦力，在試樣的兩端和壓頭之間放置金屬鉭片作為潤滑劑。利用光學(xué)顯微鏡ZEISS AxioVert200MAT 進(jìn)行組織觀察，得到不同溫度、不同應(yīng)變速率下合金的組織形貌，制樣所采用的侵蝕劑體積分?jǐn)?shù)為10%硝酸、5%氫氟酸、85%水溶液。

圖1 合金棒材原始組織

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)變速率對(duì)合金組織的影響

圖2 和圖3 分別為該Ti-Al-Zr-Nb-Mo-Si 系鈦合金在兩相區(qū)1020℃和單相區(qū)1140℃加熱時(shí)不同應(yīng)變速率下的組織特征。圖2 可以看出，兩相區(qū)變形時(shí)，原始片層組織晶粒破碎、細(xì)化，轉(zhuǎn)變成長條等軸α+β 轉(zhuǎn)變組織，并具有變形態(tài)的流線特征。應(yīng)變速率≥0.1s-1 時(shí)，可以觀察到變形態(tài)的條帶狀組織，并含有部分等軸α 晶粒；應(yīng)變速率為0.01s-1時(shí)，發(fā)生部分回復(fù)和再結(jié)晶，形成大量等軸α組織。應(yīng)變速率越大，組織分布越不均勻。

圖2 合金在兩相區(qū)1020℃變形時(shí)不同應(yīng)變速率下的組織特征

圖3 合金在單相區(qū)1140℃變形時(shí)不同應(yīng)變速率下的組織特征

圖3 可以看出，單相區(qū)1140℃變形后，具有魏氏組織特征，粗大的原始β 晶粒和完整的晶界α 相，晶內(nèi)由大尺寸、彼此平行的α 片形成“束集”。應(yīng)變速率≥1s-1 時(shí)，可以明顯觀察到變形時(shí)的流線特征，組織分布不均勻；而應(yīng)變速率≤0.1s-1 時(shí)，合金充分發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，片層組織能夠均勻分布。

可以看出，單相區(qū)變形時(shí)，可以在比較高的應(yīng)變速率下完成回復(fù)和再結(jié)晶，形成的晶粒較粗大。

3.2 變形溫度對(duì)合金組織的影響

圖4 和圖5 分別為合金在應(yīng)變速率0.01s-1 和5s-1時(shí)不同變形溫度的組織特征。圖4 可以看出，應(yīng)變速率為0.01s-1 時(shí)，在較低溫度下的兩相區(qū)變形，合金由等軸α 相與β 轉(zhuǎn)變組織構(gòu)成，且隨變形溫度的升高，α 相含量降低，形態(tài)變得粗大；在較高溫度下的單相區(qū)變形時(shí)，保留了粗大的原始晶粒，α 相主要在晶內(nèi)呈平行的片狀分布，晶界處則以粗大的形態(tài)聚集，且α 相含量減少。

圖4 合金在應(yīng)變速率為0.01s-1 時(shí)不同溫度下的組織特征

由圖5 可以看出，應(yīng)變速率為5s-1 時(shí)，隨著變形溫度的升高，合金組織形態(tài)的變化規(guī)律與應(yīng)變速率為0.01s-1 時(shí)基本保持一致，只是在高應(yīng)變速率下變形，組織形態(tài)更多呈現(xiàn)不均勻分布，具有變形態(tài)的帶狀組織特征；在1080℃變形時(shí)，α 相與β 轉(zhuǎn)變組織呈片層狀分布，與單相區(qū)保持一致，這主要是由于，1080℃接近相變點(diǎn)溫度，在較高應(yīng)變速率下變形，變形過程會(huì)產(chǎn)生大量變形熱，導(dǎo)致局部溫升過高，超過相變點(diǎn)以上，最終獲得與單相區(qū)一致的魏氏組織，呈粗大的不均勻狀態(tài)分布。

圖5 合金在應(yīng)變速率為5s-1 時(shí)不同溫度下的組織特征

3.3 分析討論

由該Ti-Al-Zr-Nb-Mo-Si 系鈦合金不同熱變形條件下的宏觀組織特征可知，應(yīng)變速率越低，變形溫度越高，合金傾向于形成回復(fù)和再結(jié)晶組織特征，反之，應(yīng)變速率越高，變形溫度越低，傾向于形成不均勻的變形態(tài)組織。這是因?yàn)樵跓嶙冃蔚倪^程中，一方面形變使得位錯(cuò)不斷增值和積累，形成變形組織；另一方面熱激活使得位錯(cuò)對(duì)消、合并以及晶界規(guī)則化，發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)再結(jié)晶過程，形成均勻組織，最終的組織特征取決于兩個(gè)方面的競爭結(jié)果。在較低溫、較高的應(yīng)變速率下，以位錯(cuò)的增殖過程為主，形成變形組織；在較高溫、較低的應(yīng)變速率下，以位錯(cuò)對(duì)消、合并和晶界規(guī)則化為主，發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶。

通過分析該鈦合金熱變形時(shí)不同應(yīng)變速率和變形溫度對(duì)組織的影響特征，可有效給出獲得回復(fù)再結(jié)晶組織的工藝條件界線，為工業(yè)生產(chǎn)加工提供相應(yīng)依據(jù)。

圖6 為合金在1050℃溫度下實(shí)際擠壓生產(chǎn)后棒材的組織特征，可以看出，合金成品棒材組織由均勻分布的大量等軸α 及少量晶間β 相構(gòu)成，該棒材抗拉強(qiáng)度達(dá)到1103MPa，屈服強(qiáng)度960MPa，延伸率為20%，具有較好的綜合力學(xué)性能。

圖6 合金擠壓棒材高倍組織

表1 合金在不同熱變形條件下的宏觀組織特征

4 結(jié)論

（1）該Ti-Al-Zr-Nb-Mo-Si 系鈦合金經(jīng)兩相區(qū)變形后得到等軸α+β 轉(zhuǎn)變組織，經(jīng)單相區(qū)變形后得到魏氏組織。

（2）溫度不變時(shí)，隨著應(yīng)變速率的增大，均勻的回復(fù)再結(jié)晶組織逐漸過渡到不均勻的變形態(tài)帶狀組織。

（3）應(yīng)變速率一定時(shí)，隨著變形溫度的不斷升高，α 相含量逐漸降低，且尺寸變得粗大，在兩相區(qū)呈等軸狀分布在β 基體中，單相區(qū)則呈片層狀聚集在原始β 晶界處。

（4）經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，該合金在1050℃擠壓加工時(shí)，能夠獲得均勻分布的等軸組織，并具有較好的綜合力學(xué)性能。