劉 娜， 李 周， 袁 華， 許文勇， 張 勇， 張國慶

(北京航空材料研究院先進高溫結(jié)構(gòu)材料國防科技重點實驗室，北京 100095)

TiAl合金由于其低密度、高比強、良好的抗氧化性等優(yōu)異性能，在航空航天及汽車工業(yè)等領域具有十分廣闊的應用前景［1～4］。但由于其鑄造性能和機加工性能較差等嚴重制約了TiAl合金的實用化進程，而粉末冶金法(Powder Metallurgy，PM)可以使得這些問題得到根本性的解決。粉末冶金方法不僅能夠消除宏觀偏析，獲得的組織細小均勻，而且可以實現(xiàn)復雜制件的近終成形，避免該材料的機加工困難，成為目前國內(nèi)外材料研究領域的熱點［5～7］。粉末冶金法制備TiAl合金主要有元素粉末法和預合金粉末法，隨著制粉工藝的不斷提高與完善，采用預合金粉末制備TiAl合金成為獲得高質(zhì)量的TiAl合金坯料的主要途徑。

雖然如此，粉末冶金TiAl合金中仍然存在顯微孔洞、夾雜等微觀缺陷［8，9］，對材料的力學性能產(chǎn)生不利影響。研究表明，熱加工過程可以消除這些微觀缺陷，有效提高粉末冶金TiAl合金的性能。因此，研究粉末冶金TiAl合金的熱變形行為具有重要的實際意義。目前對TiAl合金高溫變形行為的研究多集中在鑄造TiAl合金及元素粉末TiAl合金方面［10～12］，對預合金法 TiAl合金的相關研究較少，尤其是針對采用氬氣霧化粉末制備的粉末冶金TiAl合金而言幾乎是空白。由于制備工藝的不同，粉末冶金TiAl合金的原始坯料組織有較大差異，有必要專門對粉末冶金TiAl合金的熱變形行為進行研究。

本研究針對采用氬氣霧化預合金粉末熱等靜壓制備的粉末冶金TiAl合金，通過熱壓縮模擬研究該合金的高溫壓縮變形行為，建立合金高溫變形的本構(gòu)模型，為制定合理的粉末冶金TiAl合金的熱加工工藝起到指導作用。

1 實驗材料與方法

實驗用原料鑄錠采用真空自耗電極熔煉制備，采用氬氣霧化法得到TiAl預合金粉末。將篩分后的預合金粉末進行熱等靜壓，最終得到φ60mm×90mm的TiAl合金錠。從TiAl合金熱等靜壓坯錠中切取φ10mm×15mm圓柱形壓縮試樣，在Gleeble－3500熱/力模擬試驗機上進行高溫壓縮變形實驗。為了保證試樣在壓縮過程中處于軸向應力狀態(tài)，在試樣兩端面涂抹高溫潤滑劑以減小試樣與壓頭間的摩擦力。試樣以10℃/s的加熱速率分別升溫到1050，1100，1150，1200℃，保溫 10min，然后分別以0.001，0.01，0.1s－1的恒定應變速率進行熱壓縮試驗，變形量為50%。實驗數(shù)據(jù)的采集由 Gleeble－3500設備的計算機采集系統(tǒng)完成。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 粉末冶金TiAl合金的熱變形性能

圖1為粉末冶金TiAl合金的熱加工窗口圖，由圖可以看出，合金在本實驗采用的變形溫度和應變速率范圍內(nèi)均沒有出現(xiàn)開裂，變形完好。表明采用氬氣霧化預合金制備的TiAl合金在溫度≥1050℃和應變速率≤0.1s－1的加工條件下具有良好的熱加工性。與中南大學的采用等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化粉末準等靜壓方法制備的粉末冶金Ti－46Al－2Cr－2Nb－0.2W－0.15B 合金相比［13］，本研究的 TiAl合金的可加工范圍相對較寬，這可能與采用的原料粉末制備工藝與粉末致密化成形工藝有關，本研究熱等靜壓制備的粉末冶金TiAl合金的最終氧含量為720ppm，致密度為99.6%。

圖1 粉末冶金TiAl合金的熱加工窗口圖Fig.1 Deformation maps of PM TiAl alloy

2.2 粉末冶金TiAl合金的高溫流變曲線

圖2為粉末冶金TiAl合金在不同應變速率和變形溫度下的真應力－真應變曲線。由圖2可以看出，合金在熱壓縮過程中的流變行為表現(xiàn)為:在變形初期流變應力隨著變形量的增加急劇增大，到達峰值應力后，流變應力隨著變形量的增加逐漸減小，最終達到一個相對穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)應力。這種流變特征是變形過程中應變硬化與動態(tài)軟化共同作用的結(jié)果。在變形的開始階段，位錯密度的不斷提高增大了材料加工硬化的程度，導致了流變應力快速增加，隨著變形量的增大，動態(tài)回復和動態(tài)再結(jié)晶逐漸增強，抵消了因位錯增殖造成的加工硬化，直至到達峰值應力后，動態(tài)軟化開始占據(jù)主導作用，流變應力下降，隨著變形量的進一步增大，應變硬化與動態(tài)軟化達到了動態(tài)平衡，則進入穩(wěn)態(tài)流變階段。

粉末冶金TiAl合金的流變應力對應變速率和變形溫度非常敏感。根據(jù)圖2中流變應力數(shù)據(jù)可知，在應變速率 0.1s－1條件下，合金的峰值應力從1050℃ 的 362.68MPa下降到了1200℃ 的115.65MPa，而在1100℃變形溫度下，峰值應力則從應變速率為 0.001 s－1的 63.06MPa提高到應變速率為 0.1s－1的268.71MPa。表明了在一定應變速率下，流變應力隨變形溫度的升高而顯著下降，這是由于變形溫度的升高降低了材料的臨界剪應力，同時增強了動態(tài)回復和動態(tài)再結(jié)晶的軟化效應，從而影響材料的流變應力;隨著變形溫度的升高，合金表現(xiàn)出明顯的動態(tài)軟化現(xiàn)象，在一定變形溫度下，流變應力隨應變速率的增加而提高，由于高的應變速率增加了位錯運動速率而引起了流變應力的提高。

2.3 粉末冶金TiAl合金熱變形本構(gòu)模型的建立

TiAl合金的熱變形是一個熱激活過程，其變形抗力σp取決于變形溫度T和應變速率˙ε，而˙ε和T的關系可用 Zener－Hollomon 參數(shù) Z 表示［14］:

圖2 粉末冶金TiAl合金熱壓縮變形的真應力－真應變曲線Fig.2 True stress－strain curves of the PM TiAl alloy obtained during the compression tests at the temperatures range from 1050 to 1200℃ with the strain rates of 0.1s－1(a)，0.01s－1(b)and 0.001s－1(c)

式中:R 為理想氣體常數(shù)，R=8.314J/mol·K;T 為熱力學溫度，K;Q為變形激活能，即動態(tài)軟化激活能，反映材料熱變形的難易程度。Z為Zener－Hollomon參數(shù)，其物理意義為經(jīng)過溫度修正的應變速率，是材料在熱變形過程中重要的力學性能參數(shù)。

材料熱變形過程中的峰值應力和應變速率如下關系［15，16］:

低應力水平(ασ ＜0.8)時，

高應力水平(ασ ＞1.2)時，

式中:A1，A2，n1，β 及 α 均為與溫度無關的常數(shù)。

以上兩式適用于不同的應力情況，為了避免由于公式選用而造成的不必要的誤差，Sellars和Tegart［17］提出了一種包含Q和T的雙曲正弦形式修正的Arrhenius關系:

式中:A，n和α均為與溫度無關的常數(shù)，其中A為結(jié)構(gòu)因子，s－1;n為應力指數(shù);α為應力水平參數(shù)，mm2/N。α，β及n1之間滿足如下關系:

研究結(jié)果表明，式(4)能夠在相對較寬的應力范圍內(nèi)較好地描述材料的熱加工變形。根據(jù)式(1)和式(4)可得:

由式(6)可推出:

根據(jù)雙曲正弦函數(shù)的定義，有:

因此，可將σ表示成Zener－Hollomon參數(shù)Z的函數(shù):

將式(2)和(3)經(jīng)過適當變換可得:

對式(4)兩邊取自然對數(shù)，并假定Q與T無關，得:

由式(12)得:

作一定應變速率下的 ln［sinh(ασ)］－(103/T)的關系圖(見圖3d)，計算出其平均斜率得到激活能Q=477.56kJ/mol。

由式(6)，得到Z參數(shù)為:Z=˙εexp［496.7×103/(RT)］

由式(4)，得到粉末冶金TiAl合金的本構(gòu)方程為:

或是根據(jù)式(9)，將流變應力方程表示為含Z參數(shù)的形式:

為了驗證本構(gòu)方程是否能確切描述粉末冶金TiAl合金熱變形過程中的流變行為，選取一定溫度和應變速率代入本構(gòu)方程，計算此條件下的峰值應力理論值，并與試驗測量值相比較，結(jié)果如表1所示。可見絕大部分的理論值與實測峰值應力值符合的很好，說明該本構(gòu)方程具有較好的可信度。

3 結(jié)論

(1)粉末冶金TiAl合金具有良好的熱加工性，在溫度≥1050℃和應變速率≤0.1s－1的范圍下加工可以保證變形不開裂。

(2)粉末冶金TiAl合金的流變應力對應變速率和變形溫度非常敏感，在低的變形溫度和高的應變速率下合金表現(xiàn)為明顯的動態(tài)軟化，隨著變形溫度的升高和應變速率的降低出現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)流變軟化現(xiàn)象。

(3)基于雙曲正弦模型，建立了粉末冶金TiAl合金高溫變形下的本構(gòu)方程，計算了合金的熱變形激活能 Q 為477.56kJ/mol。

圖3 粉末冶金TiAl合金峰值應力與應變速率、溫度的關系Fig.3 Relationship of peak stress and strain，temperature of PM TiAl alloy(a)ln˙ε－lnσ;(b)ln˙ε－σ;(c)ln˙ε－ln［sinh(ασ)］;(d)ln［sinh(ασ)］－103/T

表1 粉末冶金TiAl基合金峰值應力的實測值與理論值的對比(MPa)Table 1 Comparison of peak stress between the measured and the calculated data of PM TiAl alloy

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