張永強(qiáng)，郭鴻鎮(zhèn)，雷文光，韓 棟，毛小南

(1.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)(2.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072)

TC18鈦合金熱加工圖構(gòu)建、分析及有效性驗(yàn)證

張永強(qiáng)1，郭鴻鎮(zhèn)2，雷文光1，韓 棟1，毛小南1

(1.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)(2.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072)

基于動(dòng)態(tài)材料模型，建立了TC18鈦合金的熱加工圖，分析了能量耗散率、非穩(wěn)定參數(shù)和熱加工圖隨應(yīng)變速率、變形溫度的變化規(guī)律。結(jié)果表明，在800～900 ℃范圍內(nèi)，應(yīng)變速率對(duì)TC18鈦合金的熱變形能量分配影響較為顯著。不同應(yīng)變下的能量耗散率峰值對(duì)應(yīng)的變形工藝參數(shù)均為變形溫度800～820 ℃、應(yīng)變速率5×10-4～1×10-3s-1，該參數(shù)即為TC18鈦合金等溫壓縮變形的最佳工藝參數(shù)范圍。隨著應(yīng)變?cè)龃螅?20 ℃/1×10-2s-1附近的非穩(wěn)定變形區(qū)域逐漸縮小，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.3時(shí)消失；而(860～900)℃/(1～10)s-1的非穩(wěn)定區(qū)隨應(yīng)變?cè)龃蠖饾u擴(kuò)大，并向低溫區(qū)域擴(kuò)展。

TC18鈦合金；高溫塑性變形；熱加工圖

0 引 言

TC18鈦合金是一種高強(qiáng)近β型鈦合金，其名義成分為Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，相當(dāng)于俄羅斯的BT22鈦合金，經(jīng)強(qiáng)化處理后強(qiáng)度可達(dá)1 300 MPa，適合制造飛機(jī)大型承力構(gòu)件[1]。在熱加工過程中，TC18鈦合金容易出現(xiàn)組織不均勻、局部過熱、絕熱剪切帶等缺陷，會(huì)給零件的成形及組織控制帶來困難。因此，研究TC18鈦合金變形工藝對(duì)其高溫變形行為的影響規(guī)律，對(duì)于控制鍛件的組織性能，合理制定和優(yōu)化TC18鈦合金的成形工藝參數(shù)具有指導(dǎo)意義。

基于動(dòng)態(tài)材料模型建立的熱加工圖能夠反映材料變形時(shí)內(nèi)部微觀組織的演變規(guī)律，并可揭示材料可加工性的內(nèi)在機(jī)理，從而指導(dǎo)材料熱加工工藝參數(shù)的制定[2]。近年來，動(dòng)態(tài)材料模型及其基礎(chǔ)上的熱加工圖得到了廣泛應(yīng)用并不斷完善[3-5]。本研究基于動(dòng)態(tài)材料模型，建立了TC18鈦合金高溫塑性變形的熱加工圖及其分布區(qū)域圖，為該合金熱變形機(jī)理分析及高溫塑性變形工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用原材料為TC18鈦合金鍛造棒材，相變點(diǎn)為885 ℃。沿棒材軸向切取φ8 mm×12 mm的圓柱形試樣，試樣上下端面加工有潤滑劑貯存槽。實(shí)驗(yàn)設(shè)備為Gleeble-1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)。熱模擬壓縮試驗(yàn)溫度為800、820、840、860、880 ℃，應(yīng)變速率為5×10-4、10-3、10-2、10-1、1、10 s-1。在不同的變形溫度和應(yīng)變速率下，將試樣以10 ℃/s的升溫速率加熱到變形溫度，保溫5 min，之后沿高度方向以恒應(yīng)變速率壓縮試樣，變形量為60%。用焊接在試樣側(cè)面中部的熱電偶對(duì)試樣進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)溫，并通過閉環(huán)溫控系統(tǒng)控制壓縮溫度，實(shí)現(xiàn)等溫變形。熱模擬試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，輸出載荷-行程和流動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變等數(shù)據(jù)。對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，得到最終的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)值。

2 熱加工圖構(gòu)建理論

2.1 動(dòng)態(tài)材料模型

動(dòng)態(tài)材料模型可以揭示材料塑性變形中能量耗散的方式，反映材料的變形機(jī)理，預(yù)測(cè)變形過程中各種缺陷的產(chǎn)生，優(yōu)化加工工藝參數(shù)。

根據(jù)動(dòng)態(tài)材料模型，承受變形的鍛件是一個(gè)非線性能量耗散單元。外界對(duì)鍛件輸入的能量主要貢獻(xiàn)于兩個(gè)方面：一是塑性變形，耗散能量用G表示；二是微觀組織演變，耗散能量用J表示。其中，塑性失穩(wěn)和斷裂過程與G有關(guān)，微觀組織演變與J相關(guān)。

在動(dòng)態(tài)材料模型中，能量耗散率η反映了不同變形工藝下微觀組織演變耗散能量的利用率，能量耗散率越高，則用于組織演變的能量值越高，所以，能量耗散率的峰值對(duì)應(yīng)于最佳的工藝參數(shù)。經(jīng)分析計(jì)算，能量耗散率的公式如下：

(1)

式中，m為應(yīng)變速率敏感性指數(shù)。

2.2 塑性失穩(wěn)判據(jù)

塑性變形過程中的失穩(wěn)現(xiàn)象主要包括絕熱剪切帶形成、局部塑性流動(dòng)、空洞形核、開裂等。為了預(yù)測(cè)合金的流動(dòng)穩(wěn)定性，Prasad等[7]根據(jù)Ziegler[8]提出的最大熵產(chǎn)生率原理，認(rèn)為流動(dòng)不穩(wěn)定性的判據(jù)為：

(2)

2.3 熱加工圖構(gòu)建方法

3 熱加工圖建立及分析

3.1 能量耗散率計(jì)算

圖1 TC18鈦合金高溫壓縮變形時(shí)的曲線圖(ε=0.5)TC18 titanium alloy

(3)

應(yīng)變速率敏感性指數(shù)(m)可表示為：

(4)

圖2 TC18鈦合金高溫壓縮變形時(shí)的能量耗散率圖(ε=0.5)Fig.2 Power dissipation efficiency map in the isothermal compression of TC18 titanium alloy

從圖2可以看出，能量耗散率值隨變形溫度的升高和應(yīng)變速率的增加而減小，能量耗散率峰值出現(xiàn)在低應(yīng)變速率區(qū)域。

3.2 非穩(wěn)定參數(shù)計(jì)算

(5)

圖3 TC18鈦合金高溫壓縮變形時(shí)的非穩(wěn)定圖(ε=0.5)Fig.3 Instability map in the isothermal compression of TC18 titanium alloy

3.3 熱加工圖建立及分析

將TC18鈦合金能量耗散率圖(圖2)和非穩(wěn)定圖(圖3)疊加，即可得到TC18鈦合金在應(yīng)變?yōu)?.5時(shí)的熱加工圖，如圖4所示。圖4中的等值線是能量耗散率η值，陰影部分表示非穩(wěn)定變形區(qū)。疊加后的熱加工圖既可以體現(xiàn)材料加工工藝參數(shù)對(duì)能量耗散值的影響，能夠據(jù)此選擇最佳的加工工藝參數(shù)，也可體現(xiàn)工藝參數(shù)對(duì)失穩(wěn)狀態(tài)的影響，在選擇加工工藝參數(shù)時(shí)避開失穩(wěn)區(qū)域。

圖4 TC18鈦合金高溫壓縮變形時(shí)的熱加工圖(ε=0.5)Fig.4 Processing map in the isothermal compression of TC18 titanium alloy

不同應(yīng)變條件下，TC18鈦合金的熱加工圖如圖5所示。從圖5可以看出，不同應(yīng)變下的能量耗散峰值都出現(xiàn)在低應(yīng)變速率區(qū)域，而且隨著應(yīng)變速率的增大，能量耗散率總體上呈減小趨勢(shì)，隨著溫度的升高，能量耗散率變化并不明顯，說明在800～900 ℃范圍內(nèi)，應(yīng)變速率對(duì)TC18鈦合金的熱變形能量分配影響較為顯著，而變形溫度的影響較小。隨著應(yīng)變?cè)黾樱琓C18鈦合金的能量耗散率變化較小。

加工圖中功率耗散系數(shù)較高的區(qū)域?qū)?yīng)適宜加工的區(qū)域。不同應(yīng)變下的能量耗散率峰值對(duì)應(yīng)的變形工藝參數(shù)均為：變形溫度800～820 ℃，應(yīng)變速率5×10-4～1×10-3s-1，即為試驗(yàn)范圍內(nèi)TC18鈦合金等溫壓縮變形的最佳工藝參數(shù)。Prasad和Sasidhara[9]指出，能量耗散率大于0.45的區(qū)域一般會(huì)出現(xiàn)超塑性、組織球化、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。本研究中TC18鈦合金能量耗散率峰值均大于0.45，說明在能量耗散率峰值對(duì)應(yīng)的變形工藝參數(shù)下進(jìn)行塑性加工，TC18鈦合金可能具有超塑性。

圖5 不同應(yīng)變下TC18鈦合金的熱加工圖Fig.5 Processing maps of TC18 titanium alloy at different strains

另外，從圖5還可以看出，隨著應(yīng)變的增大，非穩(wěn)定區(qū)域(圖中陰影部分)呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化。當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.1和0.2時(shí)，非穩(wěn)定變形區(qū)主要由兩部分組成：820 ℃/0.01 s-1附近非穩(wěn)定區(qū)和(860～900)℃/(1～10)s-1范圍非穩(wěn)定區(qū)；隨著應(yīng)變?cè)龃螅?20 ℃/0.01 s-1附近非穩(wěn)定區(qū)域逐漸縮小，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.3時(shí)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)流動(dòng)階段，而(860～900)℃/(1～10)s-1的非穩(wěn)定區(qū)則逐漸增大，并向低溫區(qū)域擴(kuò)展；在應(yīng)變達(dá)到0.5時(shí)，800 ℃/0.1 s-1附近區(qū)域出現(xiàn)失穩(wěn)流動(dòng)；隨著應(yīng)變的進(jìn)一步增大，800 ℃/0.1 s-1附近失穩(wěn)區(qū)域逐漸變大，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.8時(shí)，該失穩(wěn)區(qū)域和(860～900)℃/(1～10)s-1的失穩(wěn)區(qū)域幾乎連接成一個(gè)整體。如果在非穩(wěn)定變形區(qū)內(nèi)進(jìn)行塑性變形，微觀組織可能會(huì)出現(xiàn)各種不利的缺陷，如空洞、楔形裂紋、絕熱剪切帶等，所以應(yīng)避免在這個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行塑性加工。

為了易于理解TC18鈦合金的本質(zhì)熱變形行為，將以上對(duì)TC18鈦合金的加工圖中的各區(qū)域總結(jié)于圖6中(圖中所示各區(qū)域范圍只是大概范圍)。從圖中可以看出，TC18鈦合金有三個(gè)加工安全區(qū)：高溫低應(yīng)變速率區(qū)域I、低溫低應(yīng)變速率區(qū)域II和低溫高應(yīng)變速率區(qū)域III。

在此基礎(chǔ)上可以對(duì)TC18鈦合金的生產(chǎn)工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，其原則如下。建議優(yōu)先選擇低溫低應(yīng)變速率

圖6 TC18鈦合金熱加工區(qū)域分布圖Fig.6 Distribution of processing map of TC18 titaium alloy

區(qū)域II，該區(qū)的功率耗散效率較高，為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)，避開了失穩(wěn)區(qū)，加工性能好，并且組織易于控制。II區(qū)的功率耗散效率峰值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變速率為5×10-4～1×10-3s-1，該應(yīng)變速率與液壓機(jī)的應(yīng)變速率相對(duì)應(yīng)，因此在加工大型結(jié)構(gòu)件時(shí)可以在該動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)域內(nèi)選擇確定液壓機(jī)的工藝參數(shù)。區(qū)域II的溫度范圍和應(yīng)變速率范圍都很窄，可以采用等溫鍛造的方法嚴(yán)格控制鍛造溫度和應(yīng)變速率。I區(qū)的功率耗散效率小于II區(qū)，但是該區(qū)的加工范圍很大，溫度范圍為840～900 ℃，應(yīng)變速率為5×10-4～1 s-1，適合在不具備精確控制溫度和應(yīng)變速率的條件下加工零件。在820 ℃、應(yīng)變速率為1×10-2s-1進(jìn)行小應(yīng)變變形時(shí)出現(xiàn)失穩(wěn)流動(dòng)，真應(yīng)變0.2以下時(shí)，處于臨界變形區(qū)，且由于820 ℃可能處于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界溫度，所以出現(xiàn)變形失穩(wěn)。另外，在高應(yīng)變速率下(1×10-2～1 s-1)，變形溫度為820 ℃時(shí)處于熱加工的“安全區(qū)”，該應(yīng)變速率與軋制、擠壓和錘鍛的應(yīng)變速率相對(duì)應(yīng)，因此在加工該合金的板材、棒材和餅材時(shí)，可以在該動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)域內(nèi)選擇相應(yīng)的軋制、擠壓和錘鍛的熱變形參數(shù)。

4 熱加工圖有效性驗(yàn)證

根據(jù)上述熱加工區(qū)域分布圖，對(duì)TC18鈦合金進(jìn)行了等溫鍛造試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表1所示。該方案對(duì)應(yīng)圖中的Ⅰ區(qū)域頂端和中部。

表1 TC18鈦合金等溫鍛造試驗(yàn)參數(shù)

Table 1 Experimental parameters of TC18 alloy isothermal forging

按照表1給出的試驗(yàn)參數(shù)鍛造TC18鈦合金，其顯微組織見圖7。

圖7 TC18鈦合金等溫鍛造后的顯微組織Fig.7 Microstructures of TC18 titanium alloy after isothermal forging

從圖7可以看出，等溫鍛造后合金的顯微組織比較均勻，再結(jié)晶充分，無裂紋、空洞、絕熱剪切帶等失穩(wěn)現(xiàn)象產(chǎn)生。

表2為等溫鍛造后TC18鈦合金的力學(xué)性能。從表2可以看出，等溫鍛造后TC18鈦合金的力學(xué)性能均滿足技術(shù)條件要求[10]。

表2 TC18鈦合金等溫鍛造后的力學(xué)性能

Table 2 Mechanical properties of TC18 titanium alloy after isothermal forging

由此可以看出，在熱加工區(qū)域分布圖確定的有利加工區(qū)進(jìn)行熱加工，TC18鈦合金的顯微組織和力學(xué)性能均滿足技術(shù)要求，說明建立的熱加工區(qū)域分布圖對(duì)于材料熱加工參數(shù)的選擇具有一定指導(dǎo)意義。

5 結(jié) 論

(1)在800～900 ℃范圍內(nèi)，應(yīng)變速率對(duì)TC18鈦合金的熱變形能量分配影響較為顯著。

(2)不同應(yīng)變下的能量耗散率峰值對(duì)應(yīng)的變形工藝參數(shù)均為變形溫度800～820 ℃、應(yīng)變速率5×10-4～1×10-3s-1，該參數(shù)即為試驗(yàn)范圍內(nèi)TC18鈦合金等溫壓縮變形的最佳工藝參數(shù)范圍。

(3)當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.1時(shí)，在820 ℃/1×10-2s-1附近存在非穩(wěn)定變形區(qū)域，該區(qū)域隨著應(yīng)變?cè)龃蠖饾u縮小，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.3時(shí)消失。隨著應(yīng)變?cè)龃螅?860～900)℃/(1～10)s-1的非穩(wěn)定區(qū)逐漸擴(kuò)大，并向低溫區(qū)域擴(kuò)展。

(4)建立的TC18鈦合金熱加工區(qū)域分布圖，對(duì)該合金的熱加工參數(shù)選擇具有一定的指導(dǎo)意義。

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Establishiment, Analysis and Validation of Processing Map for TC18 Titanium Alloy

Zhang Yongqiang1,Guo Hongzhen2,Lei Wenguang1，Han Dong1,Mao Xiaonan1

(1.Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xi’an 710016,China)(2.Northwest Polytechnical University,Xi’an 710072,China)

The processing map for TC18 titanium alloy was established based on dynamic materials modeling.The influences of strain rate and deformation temperature on the energy dissipation rates,instability parameters and thermal processing maps were analyzed.The results show that,in the range of 800 ℃ to 900 ℃,strain rate has a significant effect on the energy distribution of TC18 titanium alloy.The deformation process parameters corresponding to peak power dissipation efficiency at different strain rate were all in range of 5×10-4s-1to 1×10-3s-1at 800 ℃ to 820 ℃,namely the better technological parameter range of isothermal compression deformation for TC18 titanium alloy.As the strain increases,the area of instability near the range of 820 ℃/1×10-2s-1gradually reducs,which enteres the stage of steady state flow when the strain reaches 0.3.The area of instability in the range of 1 s-1to 10 s-1at 860 ℃ to 900 ℃gradually expands to the lower temperature region with the strain rate maintains between 1 s-1to 10 s-1along with the strain increases.

TC18 titanium alloy;high-temperature plastic deformation; processing map

2014-11-12

收稿日期：國家973資助項(xiàng)目(2011CB012805)

張永強(qiáng)(1987—)，男，碩士。