朱曉翠，羅 偉，崔文俊

（1.西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201；2.鈦合金加工技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，陜西 西安 710201）

SP700是一種新型的富β相的α+β型鈦合金，名義成分為：Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe［1］。它在Ti-6Al-4V鈦合金成分的基礎(chǔ)上（3／4的Ti-6Al-4V合金元素含量）添加β穩(wěn)定化元素Mo和Fe，降低了β相轉(zhuǎn)變溫度。SP700合金的β轉(zhuǎn)變溫度是1 173 K，比Ti-6Al-4V鈦合金的β轉(zhuǎn)變溫度降低100 K，其超塑成形溫度也較低，改善了合金的冷／熱加工性能，同時(shí)強(qiáng)化了超塑性、可淬性和抗疲勞強(qiáng)度等方面的性能。同時(shí)由于鋁含量的減少，其耐疲勞性和耐腐蝕性也得到提高［2］。這些優(yōu)異的機(jī)械性能與良好的可加工性、可熱處理性相結(jié)合，使該合金得到了廣泛的關(guān)注，應(yīng)用范圍不斷增加。

超塑性具有延伸率大、應(yīng)力小、無頸縮、易成型的特點(diǎn)。超塑性成形工藝比較適用于復(fù)雜形狀零件成形的精加工，一般成形后零件殘余應(yīng)力小、尺寸穩(wěn)定、表面光滑美觀、且加工成本較低，被廣泛應(yīng)用于航空航天、艦船和化工等領(lǐng)域［3，4］。

基于此，本文主要通過兩種超塑性試驗(yàn)方法測(cè)試了厚度為2 mm的SP700鈦合金薄板超塑性，并確定了SP700鈦合金薄板達(dá)到最大超塑性時(shí)的最佳溫度和應(yīng)變速率，為實(shí)際生產(chǎn)中板材超塑成型／擴(kuò)散連接提供數(shù)據(jù)支持。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

1.試驗(yàn)材料：試驗(yàn)使用的厚度為2.0 mm 的SP700鈦合金薄板由西部鈦業(yè)制造，板材是由厚度為180 mm的板坯經(jīng)過3火次換向熱軋+包覆疊軋+成品熱處理生產(chǎn)，其化學(xué)成分見表1，相變點(diǎn)：910～915℃，成品力學(xué)性能見表2，晶粒尺寸≤3μm，顯微組織如圖1所示。

圖1 試樣顯微組織

表1 板坯化學(xué)成分 %

表2 成品板材力學(xué)性能

2.試驗(yàn)設(shè)備：采用CMT4104型號(hào)電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)，有效拉伸空間850 mm，力傳感器10 kN、橫梁移動(dòng)速度0.001～500 mm／min。

1.2 試驗(yàn)方法

分別采用恒應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)和最大m值法拉伸試驗(yàn)2種試驗(yàn)方法測(cè)試厚度為2.0 mm的SP700鈦合金薄板超塑性，并確定板材最大超塑性指標(biāo)和最優(yōu)超塑成型溫度。具體操作方法如下：

1.試驗(yàn)方法及記錄數(shù)據(jù)。到溫后裝爐，保溫10 min后進(jìn)行拉伸，直至試樣拉斷為止。將試樣取出后立即水淬，以保留高溫變形組織。記錄過程中的應(yīng)變速率和m值變化數(shù)據(jù)，應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)。

2.試樣前處理。涂覆抗氧化涂料前，將試樣表面進(jìn)行除油清洗；然后對(duì)試樣標(biāo)距段測(cè)量直徑或厚度，并記錄。使用測(cè)量后的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)程序。

3.試樣后處理。試樣拉斷后立即進(jìn)行水淬，然后，使用電吹風(fēng)機(jī)將試樣吹干，裝入試樣袋并封口，試樣袋上記錄以下主要內(nèi)容：試樣編號(hào)、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)溫度、應(yīng)變速率、最終延伸率。

2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

2.1 試驗(yàn)方案

采用最大m值法和恒應(yīng)變速率法2種方法對(duì)2.0 mm厚SP700鈦合金板材的超塑拉伸性能進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試溫度755℃、765℃、775℃、785℃，試樣拉伸軸方向分別與板材軋制方向成0°、45°和90°，應(yīng)變速率為0.005～0.1 s-1。

2.2 恒應(yīng)變速率法超塑性延伸率試驗(yàn)結(jié)果

圖2所示為0°方向不同溫度及恒應(yīng)變速率時(shí)超塑性延伸率結(jié)果。試驗(yàn)表明，在775℃、0.005 s-1條件0°向試樣可獲得最高為960.9%的延伸率。

圖2 0°向恒應(yīng)變速率法超塑延伸率

圖3所示為90°方向不同溫度及恒應(yīng)變速率時(shí)超塑性延伸率結(jié)果。試驗(yàn)表明，在775℃、0.005 s-1條件L向試樣可獲得最高為1 121.2%的延伸率。

圖3 90°向恒應(yīng)變速率法超塑延伸率

圖4所示為45°方向不同溫度及恒應(yīng)變速率時(shí)超塑性延伸率結(jié)果。試驗(yàn)表明，在775℃、0.005 s-1條件45°方向試樣可獲得最高為750.8%的延伸率。

圖4 45°向恒應(yīng)變速率法超塑延伸率

所以，SP700鈦合金的最佳超塑成形溫度為775℃。對(duì)于恒應(yīng)變速率法，最佳應(yīng)變速率為0.005 s-1。

2.3 最大m值法超塑性延伸率試驗(yàn)結(jié)果

采用最大m值法的最終斷裂延伸率如圖5所示。在775℃、45°方向的延伸率最高，為3 110%，在785℃、90°方向的延伸率最低，為1 127%。

圖5 最大m值法超塑延伸率

鈦合金超塑變形工藝中影響鈦合金超塑性能的主要因素包括晶粒度、變形溫度、應(yīng)變速率等。在晶粒度和變形溫度一定時(shí)，因超塑變形中流變應(yīng)力對(duì)應(yīng)變速率的高敏感性，使得應(yīng)變速率成為影響鈦合金超塑性能的重要因素。最大m值超塑變形拉伸試驗(yàn)法是根據(jù)整個(gè)拉伸過程中采集到的眾多m值數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)平均得到最大m值。在超塑性拉伸過程中，以最大m值為原則，應(yīng)變速率始終在材料具有最佳超塑性狀態(tài)下附近波動(dòng)，可以獲得異常高的延伸率。所以，采用最大m值法測(cè)得的SP700鈦合金薄板超塑性結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于恒應(yīng)變速率法測(cè)得的結(jié)果。

3 結(jié) 論

1.最大m值法時(shí)SP700鈦合金薄板的最佳超塑成型溫度為775℃。

2.恒應(yīng)變速率法時(shí)SP700鈦合金薄板的最佳超塑成型溫度為775℃，最佳應(yīng)變速率為0.005 s-1。