毛 穎， 雷 雨， 丁 旭， 張曉泳， 汪冰峰，， 樊 凱， 馮抗屯， 謝 靜， 王海鵬， 雷家峰

（1.中南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙410083； 2.中鋁洛陽銅業(yè)有限公司，河南 洛陽471039； 3.中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，湖南 長沙410083； 4.湖南金天鈦業(yè)科技有限公司，湖南 常德413000； 5.中航飛機起落架有限公司，湖南 長沙410200； 6.中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責任公司，四川 德陽618000； 7.西安三角防務(wù)有限公司，陜西 西安710089； 8.中國科學院金屬研究所，遼寧 沈陽110016）

TC18 鈦合金是一種高強韌近β 型鈦合金，具有強度高、塑韌性好以及耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點，被廣泛用于航天航空和海洋軍事等領(lǐng)域［1-3］。 該合金由前蘇聯(lián)航空材料所研制，是退火狀態(tài)下強度最高的鈦合金。

近年來，隨著高通量設(shè)計概念的提出，不少學者基于這一概念提出了各種試驗設(shè)計方法，雙圓錐臺試樣變形技術(shù)是當前材料高通量測試的熱點技術(shù)，也是一種快速獲取材料變形參數(shù)的很有前途的試驗方法。Tan 等人［4］設(shè)計了一種高溫鎳基合金的雙圓錐臺試樣，通過有限元模擬獲得試樣梯度應(yīng)變分布，并探討了不同應(yīng)變狀態(tài)下合金的組織情況和熱力學行為。 本文選用TC18 合金高強韌鈦合金為研究對象，采用高通量雙圓錐臺試樣設(shè)計這一理念，通過圓柱形和雙圓錐臺兩種形狀試樣的熱壓縮試驗，對比驗證雙圓錐臺試樣熱變形試驗可行性，并試圖在解決熱變形過程中變形參數(shù)與組織演變關(guān)系的同時減少試驗次數(shù)，提高試驗效率。

1 試驗材料與過程

試驗材料為熱鍛TC18 鈦合金，其名義成分為Ti?5Al?5Mo?5V?1Cr?1Fe，合金相變點在870 ℃左右［5-6］。

熱模擬壓縮試驗的試樣為Φ8 mm × 12 mm 的圓柱試樣，壓縮試驗在Gleeble3800 熱模擬試驗機上進行。 將試樣加熱到目標溫度保溫3 min，隨后以一定的應(yīng)變速率將試樣壓縮至設(shè)定變形量。 變形溫度分別為790，820，850，880 和900 ℃，應(yīng)變速率為0.01，0.1，1.0和10 s-1，設(shè)定應(yīng)變分別為0.2，0.3 和0.4。 壓縮后，水冷淬火保留原始金相組織。 淬火后試樣沿壓縮方向線切割，經(jīng)研磨、拋光和Kroll 試劑（2 mL HF＋4 mL HNO3＋100 mL H2O）腐蝕，在光學顯微鏡下觀察微觀組織并采用NanoMeasurer 軟件測量其中α 相晶粒尺寸。

雙圓錐臺試樣熱壓縮試驗的試樣加工尺寸及外形如圖1 所示，壓縮試驗在MTS 322T 型工作臺試驗機上進行。 將雙圓錐臺試樣加熱到目標溫度保溫15 min，隨后以一定的應(yīng)變速率將試樣壓縮至設(shè)定變形量。 目標溫度為880 ℃，應(yīng)變速率為0.01 s-1，設(shè)定變形量為8 mm。 壓縮后，水冷淬火。 沿壓縮方向切開，隨后進行鑲嵌、金相砂紙打磨、拋光和腐蝕，腐蝕液配比為5 mL HF＋10 mL HNO3＋85 mL H2O，在光學顯微鏡下觀察不同區(qū)域的微觀組織并采用NanoMeasurer 軟件測量其中α 相晶粒尺寸。

圖1 雙圓錐臺試樣加工尺寸及外形圖

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 建立TC18 鈦合金的本構(gòu)方程

在不同變形條件下，TC18 鈦合金經(jīng)熱模擬壓縮試驗所得的真應(yīng)力?真應(yīng)變曲線如圖2 所示。 可見真應(yīng)力?真應(yīng)變曲線存在明顯峰值應(yīng)力，試樣在熱壓縮過程中發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶［7-10］。

圖2 不同變形條件下TC18 鈦合金的真應(yīng)力?真應(yīng)變曲線

采用文獻［11］基于指數(shù)型本構(gòu)關(guān)系?ε＝A1σn1和冪指數(shù)型本構(gòu)關(guān)系?ε＝A2exp（βσ）提出的Arrhenius 雙曲正弦函數(shù)來建立TC18 鈦合金的本構(gòu)方程：

式中?ε為應(yīng)變速率，s-1；Q為變形激活能，J／mol；σ為流變應(yīng)力，MPa；T為絕對溫度，K；R為摩爾氣體常數(shù)，R＝8.314 J／（mol·K）；A、A1、A2、n、n1、α和β均為與材料有關(guān)的常數(shù)。

分別對ln?ε?lnσ和ln?ε?σ進行一元線性回歸處理，擬合結(jié)果見圖3?？傻胣1＝5.191 94，β＝0.033 08 MPa-1，因此α＝β／n1＝0.006 371 MPa-1。

圖3 流變應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系

作出ln?ε?ln［sinh（ασ）］和ln［sinh（ασ）］?T-1的線性回歸曲線如圖4 所示。 分別取兩條曲線斜率的平均值，算得變形激活能Q＝303.366 9 kJ／mol。

根據(jù)文獻［12］，材料在高溫下發(fā)生塑性變形時應(yīng)變速率與溫度之間的關(guān)系可用參數(shù)Z表示：

式中Z為溫度補償應(yīng)變速率因子。 對lnZ?ln［sinh（ασ）］進行一元線性回歸處理，如圖5 所示。 得到n＝3.767 81和A＝3.055 99×1013。

將上述求得的A，α，n和Q代入Arrhenius 函數(shù)模型，得到TC18 鈦合金熱壓縮變形時的本構(gòu)方程為：

圖4 流變應(yīng)力與應(yīng)變速率、溫度的關(guān)系

圖5 lnZ?ln［sinh（ασ）］擬合直線

2.2 TC18 鈦合金雙圓錐臺試樣熱壓縮試驗有限元模擬

將熱模擬壓縮試驗所得本構(gòu)方程導入有限元前處理過程［13-14］，通過Deform 3D 有限元模擬計算，得到溫度880 ℃、應(yīng)變速率0.01 s-1熱壓縮條件下試樣截面的等效應(yīng)變云圖如圖6 所示。 試樣中心與試樣端面應(yīng)變量存在一定的梯度，從中心部位到邊緣應(yīng)變量逐漸降低，熱壓縮后試樣心部到邊緣的應(yīng)變值與其相對位置的關(guān)系曲線如圖7 所示。

圖8 為880 ℃、0.01 s-1條件下試驗與Deform 模擬所得力?位移曲線對比圖。 可見模擬值與試驗值的最大誤差約為12.5%，平均誤差在10%以內(nèi)。

圖6 等效應(yīng)變云圖

圖7 雙圓錐臺試樣截面水平軸線上應(yīng)變分布曲線

圖8 880 ℃、0.01 s-1下力?位移曲線試驗與有限元模擬對比

圖9 為TC18 在溫度880 ℃、應(yīng)變速率0.01 s-1條件下熱壓縮至不同應(yīng)變的金相圖。 由圖可知，不同應(yīng)變程度下，試樣中α 相含量不同，TC18 鈦合金在熱壓縮過程中發(fā)生了相變。

圖10 為雙圓錐臺試樣縱截面選取的金相觀察區(qū)域，圖11 為雙圓錐臺形TC18 試樣在880 ℃、0.01 s-1壓縮條件下試樣截面不同區(qū)域的金相組織圖，其中（a）～（e）分別對應(yīng)圖10 中的相應(yīng)區(qū)域（下同）。 由圖可知，從邊緣到心部隨著應(yīng)變量增加，α相含量不同。壓縮過程中，β 相發(fā)生了明顯的動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象。

采用NanoMeasurer 軟件測量圖9 和圖11 金相組織中α相晶粒尺寸，并使用Origin2017 軟件繪制得到相應(yīng)α相晶粒尺寸統(tǒng)計圖，如圖12～13 所示。

圖9 880 ℃、0.01 s-1不同應(yīng)變下熱模擬金相組織

圖10 雙圓錐臺試樣縱截面金相觀察區(qū)域

圖11 880 ℃、0.01 s-1熱壓縮雙圓錐臺試樣截面不同區(qū)域金相

圖12 880 ℃、0.01 s-1不同應(yīng)變下熱模擬組織中α 相晶粒尺寸統(tǒng)計圖

由圖12～13 可知，圓柱形試樣熱模擬壓縮后，在ε＝0.4，0.3 和0.2 應(yīng)變下分別對應(yīng)的α相平均晶粒尺寸約為2.52，2.36 和1.89 μm。 雙圓錐臺試樣熱壓縮后，截面（a）、（b）、（c）、（d）、（e）對應(yīng)的α 相平均晶粒尺寸約為2.65，2.67，2.20，2.02 和1.70 μm。 對比可知，ε＝0.4 時圓柱形試樣熱壓縮組織與雙圓錐臺試樣截面區(qū)域（a）、（b）的組織較為相似，區(qū)域（a）、（b）模擬對應(yīng)的應(yīng)變范圍為0.42 ～0.75。ε＝0.3 時圓柱形試樣熱壓縮組織與雙圓錐臺試樣截面區(qū)域（c）的組織較為相似，區(qū)域（c）模擬對應(yīng)的應(yīng)變范圍為0.24 ～0.35。ε＝0.2 時圓柱形試樣熱壓縮組織與雙圓錐臺試樣區(qū)域（d）、（e）的組織較為相似，區(qū)域（d）、（e）模擬對應(yīng)的應(yīng)變范圍為0.07 ～0.18。 總的來說，雙圓錐臺試樣熱壓縮試驗的組織結(jié)果與相同變形條件下的圓柱形熱模擬試樣組織結(jié)果較為一致。

圖13 880 ℃、0.01 s-1熱壓縮雙圓錐臺試樣截面不同區(qū)域α 相晶粒尺寸統(tǒng)計圖

3 結(jié) 論

1） 通過熱模擬壓縮試驗獲得了TC18 鈦合金在790～900 ℃下的真應(yīng)力?真應(yīng)變曲線。 曲線有明顯峰值應(yīng)力，試樣在熱壓縮過程中發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，采用Arrhenius 函數(shù)模型建立了TC18 鈦合金的熱變形本構(gòu)方程。

2） 在880 ℃、?ε＝0.01 s-1變形條件下，有限元模擬得到雙圓錐臺試樣截面應(yīng)變呈梯度分布。

3） 雙圓錐臺試樣不同應(yīng)變區(qū)域α 相晶粒尺寸與相同應(yīng)變條件下圓柱形熱模擬試樣α 相晶粒尺寸較為一致，說明雙圓錐臺試樣熱變形有限元模擬所得應(yīng)變分布結(jié)果較為準確，一個雙圓錐臺試樣上可以快速獲取多個不同應(yīng)變條件的熱變形組織。