東赟鵬，于秋穎，方爽，王淑云，王超淵，宋曉俊

TA7鈦合金高溫流變行為研究

東赟鵬，于秋穎，方爽，王淑云，王超淵，宋曉俊

(北京航空材料研究院，北京100095)

通過熱壓縮試驗研究了TA7鈦合金在變形溫度850～1000℃、應變速率0.001～0.1s－1條件下的流變應力變化規(guī)律，計算并建立了描述TA7鈦合金高溫變形特性的本構方程。結果表明:變形溫度和應變速率對TA7鈦合金流變應力影響顯著，隨變形溫度升高和變形速率的降低，相同變形程度下合金的流變應力顯著降低，并且在較低的應變下合金即可達到穩(wěn)態(tài)流變狀態(tài)。

TA7;鈦合金;流變應力;本構方程

TA7鈦合金屬于中等強度的單相α型鈦合金，具有比強度高、中溫性能好、耐腐蝕性能強、室溫和高溫下斷裂韌性好等優(yōu)點，可長期在500℃條件下工作，短時工作溫度可達800℃，廣泛應用于飛機發(fā)動機環(huán)鍛件，同時也可用以制造機匣殼體、壁板、緊固件等零件［1～4］。該合金在α相區(qū)冷成形時變形抗力大，工藝塑性差，一般在較高溫度下塑性成形加工，因此對TA7鈦合金高溫變形特性的系統(tǒng)研究對成形工藝的制定具有重要的指導意義。本研究針對TA7鈦合金的高溫變形行為，擬建立描述該合金流變特性的本構方程，從而為其熱加工工藝的制定提供理論依據(jù)。

1 實驗材料及方法

1.1實驗材料

實驗材料為TA7鈦合金棒材，具體的化學成分見表1。

表1 TA7鈦合金棒材化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1 Chemical composition of TA7 titanium alloy bar(mass fraction/%)

1.2實驗方法

從TA7鈦合金棒材切取8mm×12mm的熱壓縮試樣，在THERMECMASTOR-Z熱模擬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。試樣變形溫度分別為850℃，900℃，950℃和1000℃，應變速率分別為0.1s－1，0.01s－1，0.005s－1和0.001s－1，變形量為50%。試樣以10℃/s加熱至變形溫度保溫5min后進行熱壓縮，熱壓縮過程中應變速率和變形溫度均保持恒定，變形結束后冷卻方式為在氦氣氛圍中10s內(nèi)激冷至500℃后水冷。應力、應變和溫度等數(shù)據(jù)由Thermecmastor-Z熱模擬試驗機自動采集。

2 實驗結果及分析

圖1為TA7鈦合金在不同變形溫度和不同應變速率下熱壓縮50%后的真應力-真應變曲線。從圖1可以看出，不同變形條件下該合金流變行為隨應變量的變化規(guī)律較為相似，即:變形初期，由于位錯大量增殖和積累，加工硬化占主導地位，流變應力隨應變量的增加急劇增大;隨應變量的不斷增加，位錯密度不斷增高，晶體內(nèi)部存儲的能量不斷增加，當真應變超過一定值后，合金出現(xiàn)產(chǎn)生動態(tài)回復和動態(tài)再結晶，流變應力不再隨應變量的繼續(xù)增加而發(fā)生明顯的變化，出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流變特征。

此外，從圖1a～d中流變曲線的對比中可知，TA7鈦合金在α相區(qū)內(nèi)熱變形時流變應力隨變形溫度降低和應變速率提高而大幅度升高。這是因為溫度降低，合金變形所需激活能升高，流變應力增大;應變速率增加使合金內(nèi)部位錯增殖速度加快，位錯運動阻力增大，加工硬化效果增強，因而導致流變應力增大。這說明TA7鈦合金的流變應力對變形條件比較敏感，因此合金鍛造過程中應準確合理控制變形溫度和應變速率這兩個工藝參數(shù)。

圖1 TA7鈦合金熱壓縮真應力-應變曲線Fig.1 True strain-true stress curves of TA7 titanium alloy during hot compression (a)850℃;(b)900℃;(c)950℃;(d)1000℃

3 TA7鈦合金本構方程

3.1本構方程的建立

金屬材料高溫變形過程一般采用Arrhenius型本構方程來描述合金流動應力與應變速率、變形溫度之間的關系［5～11］，如式(1)所示。

在高溫條件下，合金變形過程積累的塑性應變ε也是一個不可忽略的重要變量［12～14］。由于式(1)中不包含應變對流動應力的影響，直接采用該公式將會引起較大誤差，因此在本構方程中將引入等效應變，可以表示為

式(2)中:表示公式(1)，其中α，n，A和Q等材料常數(shù)將視為應變量ε的函數(shù)，通過對不同應變量下的材料常數(shù)進行回歸擬合，建立改進的TA7鈦合金的本構方程。

3.2材料參數(shù)的確定

當ασ＜0.8時，合金處于低應力水平條件下，流變應力σ和應變速率可以表示為指數(shù)關系:

當ασ＞1.2時，合金處于高應力水平條件下，流變應力σ和應變速率之間接近冪指數(shù)關系:

α，n1和β滿足如下關系:

式(3)和式(4)兩邊取對數(shù)后可得:

由公式(6)和式(7)，n1和β分別為ln-Inσ和ln-σ曲線的斜率。取不同真應變ε及對應流動應力σ，分別作ln-lnσ關系曲線(圖2)和ln-σ關系曲線(圖3)，并用最小二乘法線性回歸求得所取應變量下的n1和β，進而根據(jù)式(5)確定不同真應變ε下的α值。

對式(1)兩邊取對數(shù)，可得:

對(8)求偏微分可得熱變形激活能Q為:

圖4 不同應變條件下TA7鈦合金ln和ln sinh(ασ)關系曲線Fig.4 Relationships between and of TA7 titanium alloy at different true strain (a)0.1;(b)0.15;(c)0.3;(d)0.45;(e)0.65

將求得的材料參數(shù)值代入式(1)，整理后得到TA7鈦合金的本構方程:

圖7為不同應變速率和溫度下計算值和實驗值的對比，其中實線為實驗值，虛線為計算值?？梢钥吹絻烧呦鄬φ`差較小，這說明所建立的本構方程具有良好的預測能力。

4 結論

(1)本實驗條件下，變形溫度和應變速率對TA7鈦合金的流變應力影響強烈，隨變形溫度升高和變形速率的降低，相同變形程度下合金的流變應力顯著降低，并且在較低的應變下合金即可達到穩(wěn)態(tài)流變狀態(tài)。

(2)建立了包含應變量因素的TA7鈦合金高溫變形本構方程，較好地反映了合金在熱變形過程中流變應力的變化規(guī)律。

圖5 不同應變條件下TA7鈦合金ln sinh(ασ)和1/T關系曲線Fig.5 Relationships between and 1/T of TA7 titanium alloy at different true strain (a)0.1;(b)0.15;(c)0.3;(d)0.45;(e)0.65

圖6 材料參數(shù)和應變量的關系Fig.6 Relationships between material parameters and strain (a)α;(b)n;(c)ln A;(d)Q

圖7 不同應變速率和溫度下本構關系模型預測的流變應力與實驗值對比Fig.7 Comparison between experimental and predicted flow stress from constitutive equation at different strain rates and temperatures(a)800℃;(b)850℃;(c)900℃;(d)1000℃

［1］盧劍，丁寶峰，殷京甌，等.TA7鈦合金在甲醇溶液中的應力腐蝕敏感性研究［J］.鈦工業(yè)進展，2005，22(1):20－23.

(JIAN L，DING B F，YIN J O，et al.Electrochemical behavior and SCC susceptibility of TA7 in methanol solution［J］.Hot Working Technology，2005，22(1):20－23.)

［2］冀勝利，王林岐，徐斌.TA7合金環(huán)件低倍試樣“麻坑”現(xiàn)象分析［J］.熱加工工藝，2006，35(2):59－60.

(JI S L，WANG L Q，XU B.Analysis of pock marks in ring forgings macrostructure of TA7 alloy［J］.Hot Working Technology，2006，35(2):59－60.)

［3］龐洪，張海龍，王希哲，等.包覆疊軋TA7鈦合金薄板的組織和力學性能［J］.中國有色金屬學報，2010，20 (s1):66－69.

(PANG H，ZHANG H L，WANG X Z，et al.Microstructures and mechanical properties of TA7 alloy sheet produced by pack ply-rolling process［J］.The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2010，20(s1):66－69.)

［4］孫紅蘭，姚澤坤，郭鴻鎮(zhèn)，等.TA7鈦合金在不同鐓粗條件下缺陷形成的研究［J］.熱加工工藝，2012，41(3):84－86.

(SUN H L，YAO Z K，GUO H Z，et al.Research on defect formation of TA7 titanium alloy under different upsetting condition［J］.Hot Working Technology，2012，41 (3):84－86.)

［5］JONAS J J，SELLARS C M，TEGART W J MCG.Strength and structure under hot working conditions［J］.International Materials Reviews，1969，14:1－24.

［6］LENARD G J G.Modelling hotdeformation of steels［M］.Berlin:Springer-Verlag，1989:101－115.

［7］馮亮，曲恒磊，趙永慶，等.TC21合金的高溫變形行為［J］.航空材料學報，2004，24(4):11－13.

(FENG L，QU H L，ZHAO Y Q，et al.High temperature deformation behavior of TC21 alloy［J］.Journal of Aeronautical Materials，2004，24(4):11－13.)

［8］易幼平，楊積慧，藺永誠.7050鋁合金熱壓縮變形的流變應力本構方程［J］.材料工程，2007，(4):20－26.

(YI Y P，YANG J H，LIN Y C.Flow stress constitutive equation of 7050 aluminum alloy during hot compression［J］.Journal of Materials Engineering，2007，(4):20－26.)

［9］付明杰，靜永娟，張繼.擠壓開坯γ-TiAl合金的熱變形行為研究［J］.材料工程，2011，(5):62－65.

(FU M J，JING Y J，ZHANG J.Hot deformation behavior of extrudedγ-TiAl alloy［J］.Journal of Materials Engineering，2011，(5):62－65.)

［10］張鵬，李付國，李惠曲.SiC顆粒增強鋁基復合材料的熱變形本構方程及其優(yōu)化［J］.航空材料學報，2009，38 (Z1):9－14.

(ZHANG P，LIF G，LIH Q.Optimization ofgeneral constitutive equation for hot deformation of SiC particle reinforced Al matrix composites［J］.Journal of Aeronautical Materials，2009，38(Suppl 1):9－14.)

［11］孫歡迎，曹京霞，王寶，等.阻燃鈦合金高溫變形行為研究［J］.航空材料學報，2011，31(S1):31－35.

(SUN H Y，CAO J X，WANG B，et al.Hot deformation behavior of as-cast burn resistant titanium alloy［J］.Journal of Aeronautical Materials，2011，31(S1):31－35.)

［12］梁業(yè)，郭鴻鎮(zhèn)，劉鳴，等.TA15合金高溫本構方程的研究［J］.塑性工程學報，2008，15(4):150－154.

(LIANG Y，GUO H Z，LIU M，et al.Study on constitutive equations for hot deformation of TA15 alloy［J］.Journal of Plasticity Engineering，2008，15(4):150－154.)

［13］劉洋，陶宇，賈建.鎳基粉末高溫合金FGh98流變曲線特性及本構方程［J］.航空材料學報，2011，31(6):12－18.

(LIU Y，TAO Y，JIA J.Characteristics of flow curves and constitutive equation of nickel-based P/M superalloy FGH98［J］.Journal of Aeronautical Materials，2011，31 (6):12－18.)

［14］東赟鵬，王超淵，宋曉俊，等.GH5188合金流變行為研究［J］.鍛壓技術，2013，38(6):116－121.

(DONG Y P，WANG C Y，SONG X J，et al.Study on plastic deformation behavior of GH5188 superalloy［J］.Forging＆Stamping Technology，2013，38(6):116－121.)

Plastic Deformation Behavior of TA7 Titanium Alloy

DONG Yun-peng，YU Qiu-ying，F(xiàn)ANG Shuang，WANG Shu-yun，WANG Chao-yuan，SONG Xiao-jun
(Laboratory of Welding and Forging，Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China)

The flow stress of TA7 titanium alloy was investigated by isothermal hot compression in the temperature range of850-1000℃and strain rate of0.001-0.1s－1.The constitutive equation for describing the plastic deformation behavior ofthe TA7 titanium alloy during hot compression process was deduced.The results show that the flow stress of the TA7 titanium alloy is greatly affected by temperature and strain rate.With the increase of the temperature and decrease of the strain rate，the flow stress of the TA7 titanium alloy decreases greatly，and the plastic deformation get into the steady-going condition state immediately under the condition of low flow stress.

TA7;titanium alloy;flow stress;constitutive equation

10.11868/j.issn.1005-5053.2015.1.003

TG146.2+3

A

1005-5053(2015)01-0013-07

2014-05-20;

2014-07-08

東赟鵬(1979—)，男，碩士，工程師，從事鈦合金、鋁合金、高溫合金鍛造成形工藝研究，(E-mail)dong_yunpeng @163.com。