楊立新 張 旸 陳 雷 孫朝遠(yuǎn) 莫安軍 郭曉敏 張啟飛

(1.沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，遼寧110034；2.海軍駐沈陽(yáng)地區(qū)航空軍事代表室，遼寧110000；3.中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽(yáng)萬(wàn)航模鍛有限責(zé)任公司，四川618000；4.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北066004)

TA15鈦合金是一種高鋁當(dāng)量的近α型鈦合金，具有較高的比強(qiáng)度、抗蠕變性和耐腐蝕性以及良好的焊接性能，被廣泛用于制造高性能飛機(jī)的重要構(gòu)件[1-2]。用其制造的航空結(jié)構(gòu)件主要通過(guò)熱模鍛成形，在其成形(變形)過(guò)程中，成形工藝參數(shù)如變形溫度、壓下速度以及壓下量不僅決定了模鍛件的成形載荷，而且也對(duì)其組織與性能產(chǎn)生明顯的影響。TA15大型鈦合金模鍛件在鍛造過(guò)程中由于其鍛造窗口小，易出現(xiàn)組織不均勻、空洞、裂紋等缺陷[3]，因此獲得TA15鈦合金在變形過(guò)程中最佳工藝參數(shù)區(qū)間，是保證其制造的大型航空模鍛件成形質(zhì)量的關(guān)鍵。

熱加工圖是確定不同材料安全鍛造加工的重要方法之一，通過(guò)熱加工圖可以有效的分析和預(yù)測(cè)不同變形條件下的變形機(jī)制與變形特點(diǎn)，并已經(jīng)在高溫合金、鋁合金、鈦合金等主要航空材料的熱成形領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[4]。本文通過(guò)進(jìn)行TA15鈦合金的高溫壓縮試驗(yàn)，對(duì)不同工藝參數(shù)下合金的流變應(yīng)力進(jìn)行了分析和計(jì)算，基于動(dòng)態(tài)材料模型，建立了TA15鈦合金的熱加工圖，同時(shí)揭示了不同變形條件下顯微組織的演變規(guī)律，提出了TA15鈦合金具有良好熱加工工藝性能的變形參數(shù)區(qū)間，從而為制定合理的TA15鈦合金熱加工工藝、提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量提供重要依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為中國(guó)二重萬(wàn)航公司提供的TA15鈦合金棒材，其名義成分為Ti6Al2Zr1Mo1V，合金的相變點(diǎn)約為995℃，其原始組織如圖1所示。原始組織為鈦合金典型的等軸組織，即由大量的初生等軸α相、次生粗片層α相以及殘余β相組成。其中初生等軸α相尺寸約為18 μm，次生片層厚度約為2.2 μm。

在坯料棒材上切取?10 mm×15 mm的熱壓縮用圓柱試樣。熱壓縮試驗(yàn)在Gleeble-3800熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣以10℃/s的加熱速度加熱到變形溫度，保溫5 min后進(jìn)行等溫變形。變形溫度為：850℃、900℃、930℃、960℃、980℃、1020℃、1040℃，應(yīng)變速率為0.01 s-1、0.1 s-1、1s-1，壓下量為60%。變形之后立即進(jìn)行水淬。將壓縮后的試樣中間切開(kāi)進(jìn)行磨拋后，采用化學(xué)腐蝕法對(duì)變形試樣進(jìn)行腐蝕后觀察心部組織，腐蝕劑為HF∶HNO3∶H2O=1∶6∶7的混合溶液。

圖1 TA15鈦合金原始組織Figure 1 Initial microstructure of TA15 titanium alloy

圖2 不同變形條件下TA15鈦合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線Figure 2 Flow stress-strain curves of TA15 titanium alloy under different deformation conditions

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 流變曲線

TA15鈦合金在不同熱變形條件下典型的真實(shí)應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖2所示。由圖2可知，變形初期合金的流變應(yīng)力隨應(yīng)變量的增大而迅速增大，這是由于在此過(guò)程中合金發(fā)生了加工硬化。在相同應(yīng)變速率下，隨著溫度升高變形抗力降低，應(yīng)力“穩(wěn)態(tài)平臺(tái)”變長(zhǎng)，即有助于加工硬化和動(dòng)態(tài)軟化達(dá)到平衡。在相同變形溫度下，合金變形前的初始組織狀態(tài)對(duì)流變應(yīng)力存有明顯影響。在雙相區(qū)(850～980℃)變形時(shí)，合金的動(dòng)態(tài)軟化較明顯，流變曲線呈典型的再結(jié)晶型曲線；且隨著應(yīng)變速率的降低，“穩(wěn)態(tài)平臺(tái)”變長(zhǎng)。但在單相區(qū)(1020～1040℃)變形時(shí)，流變曲線呈典型的回復(fù)型曲線；流變應(yīng)力在達(dá)到峰值應(yīng)力后，沒(méi)有發(fā)生明顯的軟化，始終保持加工硬化和動(dòng)態(tài)軟化的平衡。

2.2 熱加工圖

熱加工圖是基于動(dòng)態(tài)材料模型建立的可揭示不同變形條件下(變形量、變形溫度、應(yīng)變速率)材料顯微組織的演變規(guī)律，同時(shí)可對(duì)其可加工性進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)將建立的能量耗散率圖和失穩(wěn)圖疊加可建立熱加工圖，其中，能量耗散效率和失穩(wěn)參數(shù)可以由流變應(yīng)力計(jì)算得到。

在動(dòng)態(tài)材料模型[2]中，熱加工材料被視為一個(gè)非線性的能量耗散體。根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論，輸入系統(tǒng)的能量P，一部分為塑性變形所消耗的能量G，另一部分為材料變形過(guò)程中組織變化所消耗的能量J。兩部分能量之間具有一定的比例關(guān)系，由材料的應(yīng)變速率敏感因子m決定。由式(1)和流變應(yīng)力計(jì)算得到能量耗散效率η。

(1)

m是材料的應(yīng)變速率敏感因子。η是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，其物理意義為用于組織變化能量的耗散效率，其取決于溫度、應(yīng)變和應(yīng)變速率，該參數(shù)在某種程度上映射了在一定的變形溫度和應(yīng)變速率下材料顯微組織的變化機(jī)制。

Prasad等[10]根據(jù)不可逆力學(xué)極值原理，得到大塑性變形時(shí)的材料流變連續(xù)失穩(wěn)的判據(jù)：

表1 應(yīng)變0.9時(shí)TA15合金不同熱變形條件下應(yīng)變速率敏感因子m和能量耗散效率ηTable 1 Strain rate sensitive factor m and energy dissipation efficiency η of TA15 alloy at various thermal deformation terms when strain is 0.9

圖3 TA15鈦合金不同應(yīng)變下的熱加工圖Figure 3 Hot processing maps of TA15 titanium alloy at different strain

圖4 TA15合金不同熱變形參數(shù)下的金相顯微組織Figure 4 Metallographic microstructures of TA15 alloy under different thermal deformation parameters

(2)

由圖3可知，在雙相區(qū)變形時(shí)，隨著溫度的升高，應(yīng)變速率的降低，能量消耗效率η逐漸增加，且在940～970℃溫度范圍，應(yīng)變速率為0.01 s-1時(shí)達(dá)到峰值，約為0.48。而在單相區(qū)變形時(shí)，在小應(yīng)變(ε=0.1)下，變形溫度越高，應(yīng)變速率越高，η值越高(見(jiàn)圖3a)。而在較大應(yīng)變(ε=0.5、ε=0.9)下，隨變形溫度升高和應(yīng)變速率的降低，η值增加(見(jiàn)圖3b、圖3c)。另一方面，在較小應(yīng)變(ε=0.1)下，存在兩個(gè)失穩(wěn)區(qū)域，分別為：850～895℃，0.039～1 s-1區(qū)域；950～965℃，0.79～1 s-1區(qū)域，失穩(wěn)區(qū)η值均在0.29以下(見(jiàn)圖3a)。隨著應(yīng)變的增加(ε=0.5、ε=0.9)，在950～965℃范圍內(nèi)的失穩(wěn)區(qū)消失，這主要與隨著應(yīng)變的增加，在雙相區(qū)較高溫度范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)軟化越來(lái)越充分，使得變形失穩(wěn)現(xiàn)象得到改善，因此僅表現(xiàn)出在850～900℃、0.039～1 s-1范圍內(nèi)的失穩(wěn)區(qū)。

2.3 顯微組織分析

圖4為TA15合金應(yīng)變?yōu)?.9時(shí)不同熱變形參數(shù)下的金相顯微組織。由圖4可知，在應(yīng)變速率為1 s-1的變形條件下，850℃變形時(shí)，初生α相被沿著變形方向拉長(zhǎng)或壓扁(見(jiàn)圖4a)；升高變形溫度至930℃，大部分壓扁的初生α相發(fā)生再結(jié)晶，演變成球狀等軸晶粒(見(jiàn)圖4b)；當(dāng)變形溫度為960℃時(shí)，球化的初生α相含量進(jìn)一步增加，但仍有少部分變形的初生α相?？梢?jiàn)，雙相區(qū)變形時(shí)，在相同應(yīng)變速率下，隨著溫度的升高，初生α相再結(jié)晶程度增加。這也是η值隨溫度增加而增加的主要原因。在雙相區(qū)較低變形溫度(850℃)下，與應(yīng)變速率為1 s-1時(shí)相比，降低應(yīng)變速率至0.01 s-1，球化后初生α相含量也增加(見(jiàn)圖4d)；在960℃，0.01 s-1條件下變形，少見(jiàn)變形初生α相，基本都是等軸的α晶粒(見(jiàn)圖4e)，說(shuō)明該條件下初生α相的再結(jié)晶程度高，在熱加工圖中表現(xiàn)出了η峰值。當(dāng)在單相區(qū)變形時(shí)，較慢的應(yīng)變速率有助于β相的回復(fù)與再結(jié)晶，從圖4f中可見(jiàn)，變形后β晶粒表現(xiàn)為等軸狀，少見(jiàn)壓扁的晶粒組織，說(shuō)明其動(dòng)態(tài)組織演變充分，但值得注意的是，在慢應(yīng)變速率下，如果變形溫度過(guò)高，將導(dǎo)致明顯的晶粒粗化，而對(duì)合金的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。

通常情況下，TA15鈦合金航空模鍛件在α+β雙相區(qū)進(jìn)行，結(jié)合熱加工圖與組織分析可知，該合金在940～970℃，0.01 s-1條件下變形時(shí)，具有良好的熱加工工藝性能。

3 結(jié)論

(1)TA15鈦合金在α+β雙相區(qū)的流變曲線呈典型動(dòng)態(tài)再結(jié)晶曲線，而在β單相區(qū)則表現(xiàn)出回復(fù)型曲線特征。提高變形溫度，降低應(yīng)變速率，有助于TA15鈦合金的動(dòng)態(tài)軟化。

(2)建立了TA15鈦合金的熱加工圖。在較小應(yīng)變下，合金表現(xiàn)出兩個(gè)失穩(wěn)區(qū)：850～895℃、0.039～1 s-1和950～965℃、0.79～1 s-1。增加應(yīng)變，有助于動(dòng)態(tài)軟化的發(fā)生，縮小變形失穩(wěn)區(qū)。在較大應(yīng)變(ε=0.9)下，能量耗散效率η在雙相區(qū)940～970℃、0.01 s-1變形條件下時(shí)達(dá)到峰值，約為0.48，此時(shí)，合金初生α相發(fā)生了充分的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；在β單相區(qū)，η隨溫度的升高以及應(yīng)變速率的減低而增大。

(3)TA15鈦合金模鍛件在α+β雙相區(qū)成形時(shí)，宜選擇的熱加工工藝條件為：940～970℃，0.01 s-1。