蘇娟華，孫 浩，任鳳章，陳學(xué)文

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TA10鈦合金熱加工圖的建立及分析

蘇娟華1, 2，孫 浩1, 2，任鳳章1, 2，陳學(xué)文1, 2

(1. 河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，洛陽 471023； 2. 河南科技大學(xué) 有色金屬共性技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，洛陽 471023)

采用Gleeble-1500D熱/力模擬實驗機(jī)，在變形溫度為800~1050 ℃，應(yīng)變速率為0.01~5 s?1的條件下，對TA10鈦合金做熱壓縮實驗，并根據(jù)動態(tài)材料模型(DMM)建立不同應(yīng)變下TA10鈦合金的熱加工圖，分析應(yīng)變對耗散效率因子、失穩(wěn)參數(shù)和熱加工圖的影響。結(jié)果表明：隨著應(yīng)變的增加，峰值耗散效率因子和流變失穩(wěn)區(qū)均呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化，都出現(xiàn)了先減小后增大的現(xiàn)象，流變失穩(wěn)區(qū)由小應(yīng)變時的一個失穩(wěn)區(qū)逐漸變?yōu)榇髴?yīng)變時的兩個失穩(wěn)區(qū)；適用于TA10鈦合金的熱加工工藝參數(shù)范圍是變形溫度為950~1050 ℃、應(yīng)變速率為0.01~0.8 s?1。

TA10鈦合金；熱壓縮；應(yīng)變；熱加工圖

鈦及其合金是目前工業(yè)上常用的輕金屬結(jié)構(gòu)材料，具有許多優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天、化工行業(yè)和生物工程等領(lǐng)域[1]。TA10鈦合金是一種近型鈦合金，屬于Ti-Mo-Ni系，在高溫、高濃度氯化物中具有較強(qiáng)的抗縫隙腐蝕能力，因此，廣泛應(yīng)用于容器設(shè)備的密封面材料，以解決設(shè)備密封面縫隙腐蝕問題。此外，由于TA10鈦合金還具有良好的可塑性、冷成形性和可焊性，因此，其還是制造熱換器、脫模機(jī)、真空制鹽裝置以及管道等的優(yōu)良材料[2]。研究TA10鈦合金的熱加工性能具有重要的應(yīng)用價值。

熱加工圖是由PRASAD等[3]依據(jù)動態(tài)材料模型(DMM)相關(guān)理論而提出建立的，它能直觀地反映出材料在不同變形條件下內(nèi)部顯微組織的演變規(guī)律，籍此可評估材料加工性能的優(yōu)劣，制定及優(yōu)化材料的熱加工工藝。為了提高材料的熱加工性能，優(yōu)化熱加工工藝，學(xué)者們對多種材料的熱加工圖進(jìn)行了研究[4?10]。張毅等[11]通過分析Cu-Cr-Zr-Ce合金的熱加工圖，得到了該合金熱加工的最佳工藝參數(shù)，并利用熱加工圖分析了該合金在不同區(qū)域的高溫變形特性及組織的變化。LIU等[12]建立了TC4-DT鈦合金的熱加工圖，并基于加工圖理論分析了不同應(yīng)變條件下應(yīng)變速率敏感因子、功率耗散因子及失穩(wěn)區(qū)的區(qū)別與聯(lián)系。

目前，有關(guān)對TA10鈦合金的研究主要集中于其組織和力學(xué)性能方面[13?14]。葛偉等[15]研究不同退火溫度和保溫時間對3 mm厚熱軋TA10鈦合金板材組織和力學(xué)性能的研究。王淑艷等[16]研究了加工工藝對TA10鈦合金大規(guī)格棒材力學(xué)性能的影響，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)氧含量和鍛造工藝不同時，將會導(dǎo)致同規(guī)格棒材的組織性能存在較大差異。然而，對于TA10鈦合金熱加工圖的研究尚未見到報道。為了提高TA10鈦合金的熱加工性能，本文作者借助于Gleeble?1500D熱/力模擬試驗機(jī)對TA10鈦合金做了熱壓縮實驗，并基于實驗數(shù)據(jù)及動態(tài)材料模型(DMM)相關(guān)理論建立了TA10鈦合金的熱加工圖，為優(yōu)化加工工藝、防止塑性加工過程中缺陷的形成及提高該合金熱加工產(chǎn)品的質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1 實驗

實驗材料選用鑄態(tài)TA10鈦合金，其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為Mo 0.2~0.4、Ni 0.6~0.9、Fe≤0.30、C≤0.08、N≤0.03、H≤0.015、O≤0.25，其余為Ti。TA10鈦合金的相變點為(915±5)℃。

使用切割機(jī)將鑄錠切割成14 mm×18 mm的塊狀，再采用機(jī)加工的方法將試樣加工成8 mm×12 mm的圓柱體。利用Gleeble?1500D熱/力模擬試驗機(jī)對試樣進(jìn)行熱壓縮實驗。壓縮前，在試樣端面和試驗機(jī)壓頭之間均勻涂敷石墨，以減少摩擦對實驗結(jié)果的影響。實驗的變形參數(shù)：1) 變形溫度為800、900、1000和1050 ℃；2) 應(yīng)變速率為0.01、0.1、1和5 s?1。實驗時將試樣以10 ℃/s的加熱速率加熱到預(yù)定溫度，保溫3 min，待試樣溫度均勻之后進(jìn)行壓縮。試樣壓縮之后立即進(jìn)行水淬，以保留熱變形組織。采用線切割將熱壓縮實驗之后的試樣沿軸線從中間切開，將所獲得的樣品進(jìn)行鑲嵌、磨樣、拋光、腐蝕，然后在Olympus PMG3 型金相顯微鏡上觀察顯微組織。

2 基于動態(tài)材料模型(DMM)的熱加工圖理論

式中：G為材料發(fā)生塑性變形時所消耗的能量，其中大部分轉(zhuǎn)化為黏塑性熱；J為材料變形過程中組織演變所消耗的能量，如回復(fù)、再結(jié)晶及相變等[17]；σ為材料的真應(yīng)力(MPa)；為應(yīng)變速率(s?1)。

由式(1)可知，耗散協(xié)量可表示為

假定在一定變形溫度及應(yīng)變量下，材料的變形行為符合本構(gòu)關(guān)系，則流變應(yīng)力可表示為[18]

式中：為與實驗條件無關(guān)的材料常數(shù)；為應(yīng)變速率敏感指數(shù)，的表達(dá)式為

聯(lián)立式(2)、(3)可得

圖1(a)所示的情況為材料處于理想線性耗散狀態(tài)，此時耗散協(xié)量達(dá)到最大值，即圖1(a)中左上部分的面積，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

在動態(tài)材料模型中，耗散效率因子是一個無量綱參數(shù)，其物理意義為材料在熱變形過程中顯微組織演變所消耗的能量與理想線性耗散能量的比值[19]，結(jié)合式(5)、(6)可得其數(shù)學(xué)表達(dá)式：

耗散效率因子能夠反映出一定變形溫度和應(yīng)變速率下材料顯微組織的變化機(jī)制。在熱加工過程中，材料的顯微組織會發(fā)生一些安全的熱變形機(jī)制，如動態(tài)回復(fù)、動態(tài)再結(jié)晶和超塑性等，也會出現(xiàn)各種不利的缺陷，如楔形裂紋、空洞和絕熱剪切帶等。因此，耗散效率因子對于材料在變形過程中選擇最佳工藝參數(shù)，避免缺陷的產(chǎn)生具有重要作用。

根據(jù)ZIEGLER[20]提出的最大熵產(chǎn)生率理論，認(rèn)為合金熱變形過程的失穩(wěn)判據(jù)可寫成：

式中：是關(guān)于應(yīng)變速率的函數(shù)，稱為耗散函數(shù)。依據(jù)動態(tài)材料模型，耗散協(xié)量和耗散函數(shù)是等價的，結(jié)合式(1)，可得材料流變失穩(wěn)準(zhǔn)則為[21?22]

在滿足式(9)的情況下，材料將發(fā)生流變失穩(wěn)。該塑性失穩(wěn)準(zhǔn)則應(yīng)用廣泛，目前已經(jīng)在很多材料的熱壓縮實驗中得到了驗證[23]。

3 應(yīng)變對耗散效率因子η和失穩(wěn)參數(shù)ξ的影響

式中：、、和均為常數(shù)。

將式(11)代入式(9)，整理可得

圖2所示為TA10鈦合金在不同實驗條件下應(yīng)變對耗散效率因子的影響。由圖2可以看出，耗散效率因子對變形溫度和應(yīng)變速率十分敏感，隨著變形溫度和應(yīng)變速率的變化，耗散效率因子表現(xiàn)出了較大的變化。也可以看出，應(yīng)變對耗散效率因子的影響較為復(fù)雜，其中應(yīng)變速率為0.01 s?1和5 s?1時，如圖2(a)和(d)所示，應(yīng)變對耗散效率因子的影響較為顯著，隨著應(yīng)變量的增加，曲線呈現(xiàn)出顯著的變化。圖2(a)中(應(yīng)變速率為0.01 s?1)，變形溫度為800、900和1050 ℃時，隨著應(yīng)變量的增加，耗散效率因子變化較為復(fù)雜，不過大體上均呈上升趨勢，而在1000 ℃條件下，耗散效率因子隨著應(yīng)變量的增加而減小。圖2(b)中(應(yīng)變速率為0.1 s?1)，變形溫度為800、900和1000 ℃時，應(yīng)變量的變化對耗散效率因子的影響不大，而在1050 ℃條件下，應(yīng)變對耗散效率因子影響較大，隨著應(yīng)變量的增加而增大。圖2(c)中，可以看出隨著應(yīng)變量的增加曲線變化不大，說明應(yīng)變速率為1 s?1時，應(yīng)變對耗散效率因子的影響不大。圖2(d)中(應(yīng)變速率為5 s?1),變形溫度為800、1000和1050 ℃時，耗散效率因子隨著應(yīng)變量的增加而減小，而變形溫度為900 ℃時，耗散效率因子隨著應(yīng)變量的增加而增加。

圖2 不同變形條件下應(yīng)變對耗散效率因子的影響

不同變形條件下，應(yīng)變對TA10鈦合金熱壓縮變形時失穩(wěn)參數(shù)的影響如圖3所示。由圖3可以看出，應(yīng)變對失穩(wěn)參數(shù)的影響規(guī)律。除了在變形溫度為900 ℃，應(yīng)變量為0.4~0.6條件下，失穩(wěn)參數(shù)隨著應(yīng)變速率的增加先減小后增加外，其他條件下失穩(wěn)參數(shù)均隨應(yīng)變速率的增加而減小。在變形溫度為900~1050 ℃，應(yīng)變速率為0.01~1 s?1條件下，失穩(wěn)參數(shù)均為正值，這說明在該條件下所進(jìn)行的熱加工都是安全的。當(dāng)應(yīng)變速率為1~5 s?1時，由圖3可以看出，不同應(yīng)變下，隨應(yīng)變速率的增大，失穩(wěn)參數(shù)的變化趨勢不完全相同，不過各曲線均出現(xiàn)了負(fù)值，表明熱加工時將會出現(xiàn)流變失穩(wěn)的現(xiàn)象，這是由于在高應(yīng)變速率下，亞晶粒之間取向差增長時間不夠充分所致[24]。此外，當(dāng)變形溫度為800 ℃時，應(yīng)變速率從0.1 s?1增加到1 s?1時，失穩(wěn)參數(shù)的值由正值變?yōu)樨?fù)值，且隨著應(yīng)變速率和應(yīng)變量的增加，負(fù)值的程度也越來越大，這可能是由于TA10鈦合金在該變形條件下的熱壓縮過程中出現(xiàn)了絕熱剪切帶或者微觀裂紋等[25]。

圖3 不同變形條件下應(yīng)變對失穩(wěn)參數(shù)的影響

4 熱加工圖的建立與分析

不同應(yīng)變條件下TA10鈦合金的熱加工圖如圖4所示。圖4中等值線上的數(shù)字代表耗散效率因子的值，灰色區(qū)域代表失穩(wěn)區(qū)。從圖4中可以看出，應(yīng)變對峰值耗散效率因子和失穩(wěn)區(qū)的影響都極其顯著，隨著應(yīng)變的增加，峰值耗散效率因子和流變失穩(wěn)區(qū)均呈現(xiàn)出了有規(guī)律的變化，都出現(xiàn)了先減小后增大的現(xiàn)象。而且隨著應(yīng)變的增加，流變失穩(wěn)區(qū)開始向高溫和低應(yīng)變速率區(qū)域擴(kuò)展，并且由小應(yīng)變時的一個失穩(wěn)區(qū)逐漸變?yōu)榇髴?yīng)變時的兩個失穩(wěn)區(qū)，而峰值耗散效率因子則從高溫高應(yīng)變速率區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)移到低溫低應(yīng)變速率區(qū)域。從圖4中也可以看出，失穩(wěn)現(xiàn)象極易發(fā)生在高應(yīng)變速率條件下，這是由于在高應(yīng)變速率下，熱壓縮變形時大量塑性功轉(zhuǎn)變成的熱量以及界面滑移產(chǎn)生的應(yīng)力集中沒有足夠的時間通過擴(kuò)散等途徑釋放出去，導(dǎo)致容易發(fā)生局部流動或者開裂等失穩(wěn)現(xiàn)象[27]。

圖4 TA10鈦合金不同應(yīng)變下的熱加工圖

本文作者擬對應(yīng)變量為0.6時的加工圖進(jìn)行分析，依據(jù)失穩(wěn)區(qū)域和峰值耗散效率因子，可將應(yīng)變量為0.6時的加工圖分成5個部分。

第一部分為低溫低應(yīng)變速率區(qū)(左下部分)，對應(yīng)的變形溫度在800~842 ℃之間，應(yīng)變速率在0.01~0.06 s?1之間，隨著溫度的升高，該區(qū)域的耗散效率因子從0.31逐漸增大到0.44。從圖5(a)可以看出，合金在該條件下變形后產(chǎn)生了新晶粒，明顯發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，此外，左上角和右下角處，出現(xiàn)了纖維狀的拉長晶粒，被拉長的晶粒數(shù)量遠(yuǎn)小于再結(jié)晶晶粒，說明TA10鈦合金在該條件下變形時出現(xiàn)了動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶兩種軟化機(jī)制，且動態(tài)再結(jié)晶占據(jù)主導(dǎo)地位。動態(tài)再結(jié)晶和動態(tài)回復(fù)均為安全的熱加工變形機(jī)制，可以改善微觀組織，提高合金的熱加工性能。然而，從圖5(a)中還可以看出，該條件下產(chǎn)生的動態(tài)再結(jié)晶晶粒大小極不均勻，出現(xiàn)了一些異常粗大的晶粒，由于粗大的晶粒對金屬的力學(xué)性能十分不利，因此，應(yīng)避免在該區(qū)域進(jìn)行熱加工。

第二部分是由變形溫度842~950 ℃、應(yīng)變速率0.01~0.02 s?1所構(gòu)成的區(qū)域。該區(qū)域耗散效率因子的范圍為0.31~0.56，其中0.56為應(yīng)變量為0.6時的峰值耗散效率因子。從圖5(b)可以看出，合金在該條件下變形后發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶和動態(tài)回復(fù)。由于該區(qū)域峰值耗散效率因子(0.56)的等值線有一小部分已經(jīng)在流變失穩(wěn)區(qū)內(nèi)，因此，當(dāng)變形溫度一定時，如果稍微增大應(yīng)變速率，合金就有可能發(fā)生流變失穩(wěn)現(xiàn)象，故該區(qū)域也不能作為最佳的熱變形區(qū)域。

第三部分是由變形溫度950~1050 ℃、應(yīng)變速率0.01~0.8 s?1所構(gòu)成的區(qū)域。該區(qū)域耗散效率因子的范圍為0.066~0.44。圖5(c)為變形溫度為1050 ℃，應(yīng)變速率為0.01 s?1時的顯微組織，由圖5(c)可以看出，合金在該條件下變形后的顯微組織為網(wǎng)籃狀組織。細(xì)小的網(wǎng)籃組織不僅有較好的塑性、沖擊韌性、斷裂韌性和高周疲勞強(qiáng)度，還具有較好的熱強(qiáng)性。同等軸組織相比，網(wǎng)籃組織在熱強(qiáng)性方面有無可爭議的優(yōu)越性，對于長期在高溫下工作的零件，此種組織較好。通過該顯微組織可以看出，該條件下，TA10鈦合金的變形機(jī)制為典型的動態(tài)回復(fù)機(jī)制，沒有發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。這是由于1050 ℃時，顯微組織中密排六方的相完全轉(zhuǎn)變成了體心立方的相，由于具有體心立方結(jié)構(gòu)的相層錯能較高，位錯的交滑移和攀移容易進(jìn)行，從而使異號位錯相互抵消，位錯密度下降，畸變能降低，合金變形所積累的畸變能達(dá)不到發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶所需要的能量[29]，因此，該條件下的變形機(jī)制以動態(tài)回復(fù)為主。該區(qū)域也可作為最佳變形區(qū)域。

圖5 TA10鈦合金各變形條件下的光學(xué)顯微組織

第四部分、第五部分區(qū)域所對應(yīng)的變形條件分別為變形溫度800~899 ℃、應(yīng)變速率0.02~5 s?1以及變形溫度920~1050 ℃、應(yīng)變速率0.8~5 s?1的區(qū)域。由于這兩部分區(qū)域均位于熱加工圖的流變失穩(wěn)區(qū)，因此，盡管它們的峰值耗散效率因子分別達(dá)到0.56和0.37，卻不能作為TA10鈦合金的最優(yōu)熱變形區(qū)域。圖5(d)所示為變形溫度為800 ℃、應(yīng)變速率為5 s?1的顯微組織，從圖5(d)中可以看出，該條件下變形后的顯微組織出現(xiàn)了微觀裂紋這種流變失穩(wěn)現(xiàn)象。

基于以上分析可知，在本實驗范圍內(nèi)，TA10鈦合金最優(yōu)熱加工工藝參數(shù)：變形溫度為950~1050℃，應(yīng)變速率為0.01~0.8 s?1。

5 結(jié)論

1) TA10鈦合金熱壓縮變形時，應(yīng)變對耗散效率因子的影響較為復(fù)雜。應(yīng)變速率為0.01 s?1和5 s?1時，應(yīng)變對耗散效率因子的影響較為顯著，隨著應(yīng)變量的增加，曲線呈現(xiàn)出顯著的變化；應(yīng)變速率為0.1 s?1和1 s?1時，應(yīng)變對耗散效率因子的影響不大。

2) 應(yīng)變對失穩(wěn)參數(shù)的影響規(guī)律：除了在變形溫度為900 ℃、應(yīng)變量為0.4~0.6條件下，失穩(wěn)參數(shù)隨著應(yīng)變速率的增加先減小后增加外，其他條件下失穩(wěn)參數(shù)均隨應(yīng)變速率的增加而減小。

3) 應(yīng)變對峰值耗散效率因子和失穩(wěn)區(qū)的影響都極其顯著，隨著應(yīng)變的增加，峰值耗散效率因子和流變失穩(wěn)區(qū)均呈現(xiàn)出了有規(guī)律的變化，都出現(xiàn)了先減小后增大的現(xiàn)象。而且隨著應(yīng)變的增加，流變失穩(wěn)區(qū)開始向高溫和低應(yīng)變速率區(qū)域擴(kuò)展，并且由一個失穩(wěn)區(qū)逐漸變?yōu)閮蓚€失穩(wěn)區(qū)，而峰值耗散效率因子則從高溫高應(yīng)變速率區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)移到低溫低應(yīng)變速率區(qū)域。

4) 在本實驗范圍內(nèi)，TA10鈦合金最優(yōu)熱加工工藝參數(shù)變形溫度950~1050 ℃、應(yīng)變速率0.01~0.8 s?1。

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Establishment and analysis for processing map of TA10 titanium alloy

SU Juan-hua1, 2, SUN Hao1, 2, REN Feng-zhang1, 2, CHEN Xue-wen1, 2

(1. School of Materials Science and Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, China; 2. Henan Collaborative Innovation Center of Nonferrous Metal Generic Technology, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, China)

The hot compression tests of TA10 titanium alloy was conducted by the thermal simulation test machine of Gleeble-1500D under the deformation temperatures of 800?1050 ℃ and strain rates of 0.01?5 s?1. The processing map of TA10 titanium alloy under different strains was established based on the dynamic materials model (DMM). The effects of strain on the efficiency of power dissipation, the instability parameter and the processing map were studied. The results show that the peak efficiency of power dissipation and the flow instability region both present a regular change ,which decrease and then increase with the increase of the strain. Meanwhile, the flow instability region at the lower strain gradually changes into two instability regions at the higher strain. The hot working parameters applied to TA10 titanium alloy is the deformation temperature range of 950?1050 ℃, strain rate range of 0.01?0.8 s?1.

TA10 titanium alloy; hot compression; strain; processing map

(編輯 李艷紅)

Project(51575162) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (144200510001) supported by the Program for Science and Technology Innovation Talents of Henan Province, China

2016-10-25;

2017-03-22

SU Juan-hua; Tel: +86-13592088565; E-mail: sujh@haust.edu.cn

國家自然科學(xué)基金資助項目(51575162)；河南省科技創(chuàng)新杰出人才支持計劃項目(144200510001)

2016-10-25；

2017-03-22

蘇娟華，教授，博士；電話：13592088565；E-mail：sujh@haust.edu.cn

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2018.01.10

1004-0609(2018)-01-0078-09

TG319

A