賈蔚菊，索軍剛，侯紅苗，張永強(qiáng)，趙恒章，郭 萍，潘 浩

(1.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)(2. 寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司西安石油專用管分公司，陜西 西安 710200)

0 引 言

鈦合金因其比強(qiáng)度高、耐腐蝕性優(yōu)異等特性，成為航空航天飛行器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。隨著飛機(jī)制造業(yè)的發(fā)展，飛機(jī)性能不斷提高，機(jī)體結(jié)構(gòu)的用鈦量呈增逐年增加趨勢(shì)。目前最具代表性的四代戰(zhàn)機(jī)F-22的用鈦量達(dá)到結(jié)構(gòu)重量的41%，波音787客機(jī)的用鈦量也達(dá)到了結(jié)構(gòu)重量的15%[1]。以TC4鈦合金為代表的結(jié)構(gòu)鈦合金以其良好的室溫/高溫強(qiáng)度、蠕變抗力、熱穩(wěn)定性、疲勞性能、斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕性能，成為目前國(guó)內(nèi)外航空制造領(lǐng)域中應(yīng)用最為成熟和使用量最大的鈦合金[2]。為了進(jìn)一步挖掘TC4鈦合金的應(yīng)用潛力，美、俄等國(guó)對(duì)其進(jìn)行了成分改進(jìn)，設(shè)計(jì)出了TC4ELI鈦合金。該合金是第一種獲得大量應(yīng)用的損傷容限型鈦合金，F(xiàn)-22戰(zhàn)機(jī)用鈦合金結(jié)構(gòu)件中73%為TC4ELI鈦合金[3]。TC4ELI鈦合金具有優(yōu)異的斷裂韌性和高溫性能，但其強(qiáng)度明顯低于傳統(tǒng)TC4鈦合金。為此，基于TC4這種應(yīng)用最為成熟的鈦合金，各國(guó)均在開展進(jìn)一步的性能優(yōu)化研究。研究主要集中在2個(gè)方面，一方面是通過(guò)合金成分調(diào)整來(lái)提高性能，另一方面是通過(guò)控制熱機(jī)械變形過(guò)程來(lái)控制微觀組織狀態(tài)以達(dá)到調(diào)整力學(xué)性能的目的。研究表明，間隙式固溶元素O在鈦基體中與“位錯(cuò)”產(chǎn)生彈性交互作用，形成“柯氏氣團(tuán)”和“snock”氣團(tuán)，對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起阻礙和釘扎作用，對(duì)鈦基體產(chǎn)生強(qiáng)化效應(yīng)。另外，置換式固溶元素Al、Fe等的添加，破壞了鈦晶格結(jié)點(diǎn)上原子的引力平衡，使其偏離原平衡位置，造成晶格畸變，由此產(chǎn)生強(qiáng)化效應(yīng)。但固溶元素含量過(guò)大時(shí)會(huì)有損合金塑性，因此需要嚴(yán)格控制其含量[4-5]。

針對(duì)TC4鈦合金熱變形行為的研究較多，王清等[6]研究了TC4鈦合金在600～900 ℃的熱變形行為，結(jié)果發(fā)現(xiàn)合金在不同溫度區(qū)間變形的主導(dǎo)軟化機(jī)制是不同的。曲銀化等[7]研究了TC4鈦合金在850～1 050 ℃的變形行為并獲得了合金的流變應(yīng)力方程。Seshacharyulu等[8]研究了具有兩相組織的TC4鈦合金的熱變形行為。Shibaygan等[9]研究了Ti-6Al-4V-0.1B合金的熱變形行為，發(fā)現(xiàn)B元素的加入對(duì)Ti-6Al-4V合金的熱變形行為產(chǎn)生顯著影響，主要原因歸結(jié)為B元素加入引起的晶粒細(xì)化及TiB顆粒的形成。張偉福等[10]研究了置氫TC4鈦合金的熱壓縮變形行為，研究表明置氫可以顯著降低TC4鈦合金的流動(dòng)應(yīng)力。上述研究主要關(guān)注于TC4鈦合金的熱變形行為及組織演變規(guī)律，以及其他添加元素對(duì)其變形行為的影響。然而關(guān)于合金成分調(diào)整對(duì)TC4鈦合金熱變形行為影響的研究鮮有報(bào)道。本研究在傳統(tǒng)TC4鈦合金成分基礎(chǔ)上，提高合金中Al、Fe元素含量至上線，增加合金中O元素含量，獲得高氧TC4鈦合金以達(dá)到從成分上來(lái)優(yōu)化合金性能的目的，通過(guò)研究這種高氧TC4鈦合金在β相區(qū)的熱變形行為及變形機(jī)制，探索該合金在相變點(diǎn)以上成形的可行性及與傳統(tǒng)TC4鈦合金的異同，為挖掘傳統(tǒng)TC4鈦合金性能潛力提供理論基礎(chǔ)及指導(dǎo)。

1 實(shí) 驗(yàn)

采用真空自耗熔煉制備高O含量的TC4鈦合金鑄錠，其化學(xué)成分如表1所示。鑄錠經(jīng)單相區(qū)開坯鍛造及兩相區(qū)多火次鍛造后獲得φ230 mm的棒材，其鍛態(tài)組織均為α+β兩相組織，其中α相含量約為80%～90%，有島狀的長(zhǎng)條α相，也有等軸α相，如圖1所示。金相法測(cè)得該合金的相變點(diǎn)為986 ℃。經(jīng)過(guò)成分調(diào)整后，TC4鈦合金的拉伸性能大幅提高，遠(yuǎn)高于GJB 2218A—2008中的性能指標(biāo)，獲得強(qiáng)度和塑性的良好匹配。表2為高氧TC4鈦合金棒材的室溫拉伸性能。

表1高氧TC4鈦合金鑄錠的化學(xué)成分(w/%)

Table 1 Chemical composition of high-oxygen TC4 titanium alloy ingot

圖1 鍛態(tài)TC4鈦合金棒材的微觀組織Fig.1 As-forged microstructure of high-oxygen TC4 titanium alloy bar

Table 2 Room-temperature tensile properties of high-oxygen TC4 titanium alloy bar

從退火態(tài)TC4鈦合金棒材上切取熱模擬壓縮試樣，試樣尺寸為φ10 mm×15 mm。在Gleeble-3800試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行熱模擬壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度范圍為990～1 030 ℃，每個(gè)溫度間隔20 ℃，應(yīng)變速率范圍為0.01～1 s-1。壓縮試驗(yàn)前將熱電偶焊接在試樣外表面的中間部位，用來(lái)測(cè)試試樣的溫度。試樣以5 ℃/s的加熱速度加熱到變形溫度，保溫5 min后開始?jí)嚎s變形，變形量為60%。為觀察試樣變形前的組織狀態(tài)，每個(gè)測(cè)試溫度下取1個(gè)試樣加熱到測(cè)試溫度后直接空冷。為了減少變形過(guò)程中試樣端面與砧頭的摩擦，在試樣端面涂上一層石墨粉，并在試樣端面與砧頭之間墊上鉭片。變形后的試樣沿與壓縮軸平行的方向剖開用于顯微組織觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

流動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線反映了流動(dòng)應(yīng)力與變形條件之間的內(nèi)在聯(lián)系，同時(shí)也是材料內(nèi)部組織變化的宏觀表現(xiàn)。圖2為高氧TC4鈦合金在β單相區(qū)990～1 030 ℃范圍內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖2可見，在不同試驗(yàn)溫度下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。流動(dòng)應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的增大和溫度的降低而升高。在應(yīng)變速率為0.01 s-1時(shí)，流動(dòng)應(yīng)力很快達(dá)到峰值，然后出現(xiàn)一個(gè)應(yīng)力平臺(tái)直到應(yīng)變達(dá)到0.2時(shí)曲線開始出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，應(yīng)變達(dá)到0.6時(shí)基本達(dá)到穩(wěn)態(tài)，說(shuō)明β單相區(qū)的組織基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)應(yīng)變速率為0.1 s-1時(shí)，變形開始階段隨著應(yīng)變的增加，流動(dòng)應(yīng)力增加，說(shuō)明在開始階段材料發(fā)生了硬化，應(yīng)變達(dá)到0.2附近時(shí)流動(dòng)應(yīng)力達(dá)到峰值，隨著應(yīng)變的增加材料發(fā)生軟化。這種軟化現(xiàn)象通常是絕熱溫升、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶或動(dòng)態(tài)回復(fù)綜合作用的結(jié)果。在應(yīng)變速率為1.0 s-1時(shí)，材料一開始表現(xiàn)出硬化現(xiàn)象，然后隨著應(yīng)變的增加，流動(dòng)應(yīng)力基本保持在一個(gè)水平上，但曲線表現(xiàn)出明顯的震蕩。這種震蕩現(xiàn)象在兩相TC4鈦合金、Ti6242合金及IMI834合金中均有報(bào)道[11-13]。這些報(bào)道中指出，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、應(yīng)變時(shí)效或局部流變是導(dǎo)致流動(dòng)應(yīng)力震蕩的原因。具體原因需結(jié)合顯微組織特征來(lái)進(jìn)一步確定。

圖2 高氧TC4鈦合金在不同溫度下的熱壓縮流動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Flow stress-strain curves of the isothermal compression of high-oxygen TC4 titanium alloy at different temperatures：(a)990 ℃；(b) 1 010 ℃；(c) 1 030 ℃

2.2 高氧TC4鈦合金本構(gòu)方程

(1)

低應(yīng)力區(qū)(ασ<0.8時(shí))：

(2)

高應(yīng)力區(qū)(ασ>1.2時(shí))：

(3)

整個(gè)應(yīng)力范圍(雙曲正弦方程)：

(4)

式中，A1、A2、A、n1、n、α、β均為與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)，A為結(jié)構(gòu)因子(s-1)，n為加工硬化指數(shù)，α、β和n之間滿足α=β/n1；流動(dòng)應(yīng)力σ可以是峰值應(yīng)力，也可以是穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力或是指定應(yīng)變量所對(duì)應(yīng)的流動(dòng)應(yīng)力。

Zener和Hollomon在1944年提出并驗(yàn)證了應(yīng)變速率和溫度的關(guān)系可用一項(xiàng)參數(shù)Z來(lái)表示[15]：

(5)

式中，Z為Zener-Hollomon參數(shù)，是溫度補(bǔ)償?shù)淖冃嗡俾室蜃?。變形激活能Q反映了材料熱變形的難易程度，也是材料在熱變形過(guò)程中重要的力學(xué)性能參數(shù)，其值通常與激活焓ΔH相等。Z和σ之間符合以下關(guān)系式：

Z=A[sinh(ασ)]n

(6)

如果A、Q、n和α等材料常數(shù)的值已知，就可以求出該材料在任意變形條件下的流動(dòng)應(yīng)力值。

對(duì)式(2)和式(3)兩邊分別取對(duì)數(shù)得到：

(7)

(8)

圖3 不同變形溫度下和關(guān)系曲線Fig.3 Relation curves of and at different deformation temperatures

將式(5)代入式(6)中，再對(duì)其兩邊求自然對(duì)數(shù)可以得到：

(9)

將不同變形條件下的應(yīng)力值代入(9)式，以1/T和ln[sinh(ασ)]為坐標(biāo)作圖，進(jìn)行線性回歸，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，σ與T較好地符合式(9)的線性關(guān)系，說(shuō)明TC4鈦合金高溫變形時(shí)流動(dòng)應(yīng)力與變形溫度之間符合Arrhenius關(guān)系。這種關(guān)系說(shuō)明TC4鈦合金熱壓縮變形是受熱激活控制的。

在一定的應(yīng)變和應(yīng)變速率下對(duì)式(4)求導(dǎo)得：

(10)

由式(10)可知，當(dāng)Q與溫度無(wú)關(guān)時(shí)，ln[sinh(ασ)]與1/T成線性關(guān)系。式中的n2和n3值可分別求得，然后代入式(10)中求得TC4鈦合金在β單相區(qū)的變形激活能Q為141 kJ/mol。

圖4 不同應(yīng)變速率下的ln[sinh (ασ)]-1/T關(guān)系曲線Fig.4 Relation curves of ln[sinh (ασ)]-1/T for various strain rate

對(duì)式(6)兩邊求對(duì)數(shù)得：

lnZ=lnA+nln[sinh(ασ)]

(11)

將Q值和變形條件代入式(6)后求出Z值，以ln[sinh(ασ)]和lnZ為坐標(biāo)作圖，并進(jìn)行線性回歸，結(jié)果如圖5所示。由圖5可求得應(yīng)力指數(shù)n為3.07，lnA為10.47。將求得的各材料參數(shù)值代入式(4)，得到TC4鈦合金高溫本構(gòu)方程：

由圖5可見，ln[sinh(ασ)]和lnZ經(jīng)線性回歸后，其線性相關(guān)系數(shù)為0.99，表明選用雙曲正弦模型來(lái)描述TC4鈦合金的高溫變形行為是適用的。

圖5 流動(dòng)應(yīng)力與Z參數(shù)的雙對(duì)數(shù)關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve of lnZ-ln[sinh(ασ)]

2.3 微觀組織特征

鈦合金最終的微觀組織結(jié)構(gòu)不僅與其初始組織狀態(tài)有關(guān)，還與其熱加工過(guò)程有關(guān)。為了有效的分析熱變形工藝參數(shù)對(duì)合金組織的影響，在每個(gè)測(cè)試溫度下加熱一個(gè)試樣，保溫一定時(shí)間后直接空冷，獲得變形前試樣的微觀組織結(jié)構(gòu)，如圖6所示。由圖6可見，所有變形前組織均為包含條狀α相的β轉(zhuǎn)變組織結(jié)構(gòu)。由此可推斷，在高溫加熱后變形前，組織由β單相構(gòu)成，試樣在高溫冷卻過(guò)程中組織內(nèi)析出了條狀α相。在990～1 030 ℃溫度下，原始β晶粒大小約為250～255 μm，見表3。可見，在相變點(diǎn)以上溫度加熱，β晶粒尺寸對(duì)加熱溫度不敏感。

圖6 高氧TC4鈦合金經(jīng)不同溫度加熱后的微觀組織Fig.6 Microstructures of high-oxygen TC4 titanium alloy after heated at different temperatures：(a)990 ℃；(b)1 010 ℃；(c)1 030 ℃

Table 3 Prior-β grain size of high-oxygen TC4 titanium alloy after heated at different temperatures

圖7為高氧TC4鈦合金在1 030 ℃以不同應(yīng)變速率壓縮后的微觀組織。由圖7可以看出，應(yīng)變速率對(duì)原始β晶粒的形貌有很大的影響。應(yīng)變速率為0.01 s-1，原始β晶界發(fā)生彎折，在原始β晶界上觀察到了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒。隨著應(yīng)變速率的提高，原始β晶粒沿著與壓縮方向垂直的方向被拉長(zhǎng)拉扁，這是典型的回復(fù)結(jié)構(gòu)。特別在應(yīng)變速率為1 s-1時(shí)，原始β晶粒沿與壓縮方向垂直的方向被拉長(zhǎng)為扁平狀，晶界呈鋸齒狀，且在晶界上分布了一些細(xì)小的再結(jié)晶晶粒。對(duì)比圖7a、7c可見，隨著應(yīng)變速率的增加，再結(jié)晶晶粒的數(shù)量減少，晶粒尺寸減小。這是由于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程是一個(gè)形核和長(zhǎng)大的過(guò)程。當(dāng)應(yīng)變速率較低時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒有足夠的時(shí)間形核，長(zhǎng)大。而應(yīng)變速率越高，晶粒內(nèi)部發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力越大，單位時(shí)間內(nèi)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核速率越快，并且在較大應(yīng)變速率下變形至相同應(yīng)變量所需要的時(shí)間較短，從而使得新形成的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒難以長(zhǎng)大而更為細(xì)小。Ding[16]和Wanjara[17]分別在Ti-6Al-4V和IMI834鈦合金中也觀察到了同樣的現(xiàn)象。

圖7 高氧TC4鈦合金在1 030 ℃以不同應(yīng)變速率壓縮后的微觀組織Fig.7 Microstructures of high-oxygen TC4 alloy compressed by different strain rates at 1 030 ℃：(a) 0.01 s-1；(b) 0.1 s-1；(c)1 s-1

高氧TC4鈦合金中的再結(jié)晶程度非常有限，這主要是因?yàn)樵趩蜗鄥^(qū)變形，β相的自擴(kuò)散能力很強(qiáng)，位錯(cuò)易于運(yùn)動(dòng)，通過(guò)動(dòng)態(tài)回復(fù)降低了晶粒內(nèi)部存儲(chǔ)的畸變能，而使得晶粒內(nèi)部沒(méi)有足夠的位錯(cuò)密度促使動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，只是在晶界等局部畸變能較高的地方發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。因此，高氧TC4鈦合金在β單相區(qū)變形時(shí)的主要機(jī)制為動(dòng)態(tài)回復(fù)伴隨局部動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。正如圖2中曲線所示，隨著應(yīng)變?cè)黾?，流?dòng)應(yīng)力達(dá)到一恒定值，這是典型的動(dòng)態(tài)回復(fù)特征。

2.4 熱變形行為分析

應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀特征是材料熱變形機(jī)制的反映。圖8是高氧TC4鈦合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線與文獻(xiàn)報(bào)道中常規(guī)TC4鈦合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比圖。從圖8可見，本研究獲得的曲線的變化趨勢(shì)與Seshacharyulu等[18]所獲得的曲線特征相似，但與Momeni等[19]所獲得的曲線變化趨勢(shì)是不同的。通常來(lái)講，隨著變形溫度的升高，材料的流動(dòng)應(yīng)力降低。

圖8 TC4鈦合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比圖Fig.8 Comparison of the stress-strain curves of TC4 titanium alloy

從圖8可見，參考文獻(xiàn)[19]中所用的TC4材料在1 050 ℃時(shí)的應(yīng)力要高于本研究中TC4鈦合金在1 030 ℃的應(yīng)力水平。這個(gè)結(jié)果說(shuō)明，文獻(xiàn)[19]中的材料具有較高的變形抗力，作者認(rèn)為這主要?dú)w因于合金中較高的V元素含量(高出標(biāo)準(zhǔn)1%含量)。文獻(xiàn)[18]中合金的應(yīng)力變化趨勢(shì)與本研究結(jié)果類似。對(duì)比文獻(xiàn)[18]中的合金元素含量可見，本研究所用合金中Fe元素含量較高，高出參考文獻(xiàn)2.8%，另外，本研究中晶粒大小與文獻(xiàn)[18]中的晶粒大小基本相同，均在200～250 μm。由此可推測(cè)，F(xiàn)e元素含量對(duì)TC4鈦合金變形行為的影響較小。

另外，從圖2可以看出，在應(yīng)變速率為1 s-1時(shí)曲線表現(xiàn)出較大的震蕩，且在應(yīng)變大于0.6以后出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象，這種現(xiàn)象說(shuō)明材料發(fā)生了局部不穩(wěn)定塑性流變。圖9為在溫度1 030 ℃、應(yīng)變速率1 s-1變形條件下的試樣橫截面宏觀照片。從圖9可以看到明顯的變形帶，同時(shí)在試樣的上下表面可以觀察到變形死區(qū)，這是典型的塑性變形不均勻特征。在較大應(yīng)變下出現(xiàn)的翹曲現(xiàn)象是試樣壓縮后上下表面摩擦力增大而導(dǎo)致的應(yīng)力增大。

圖9 TC4鈦合金在1 030 ℃、1 s-1條件下壓縮后的橫截面宏觀照片F(xiàn)ig.9 Transverse macrostructure of TC4 titanium alloy compressed at 1 030 ℃ and 1 s-1

Table 4 Activation energy of deformation for several titanium alloys

材料的變形激活能也是其塑性變形機(jī)制的反映。表4列出了幾種鈦合金的變形激活能。由表4可見，鈦合金在α+β兩相區(qū)的變形激活能均高于β單相區(qū)的激活能，這說(shuō)明合金在不同變形范圍內(nèi)其變形機(jī)制是不同的。有研究指出，鈦合金在β單相區(qū)的變形激活能一般處于180～220 kJ/mol的范圍內(nèi)，與β相的自擴(kuò)散激活能(153 kJ/mol)接近[23]。本研究獲得的高氧TC4鈦合金的變形激活能為141 kJ/mol，與β相自擴(kuò)散激活能相近，說(shuō)明TC4鈦合金在單相區(qū)的變形主要由動(dòng)態(tài)回復(fù)所控制，這與微觀組織結(jié)構(gòu)特征吻合。另外，結(jié)合高氧TC4鈦合金的拉伸性能分析結(jié)果(表4)，Al、O元素含量的調(diào)整提高了合金的強(qiáng)度，同時(shí)不損失合金的塑性。這主要是由于Al和O均為α相穩(wěn)定元素，起到了固溶強(qiáng)化和間隙強(qiáng)化的作用，同時(shí)Al、O元素含量沒(méi)有超過(guò)其在鈦中的極限溶解度，故對(duì)合金塑性影響不大。從高氧TC4鈦合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征及應(yīng)變激活能結(jié)果來(lái)看，合金元素的調(diào)整對(duì)其β相區(qū)熱變形行為影響不大，這主要與合金組織在單相區(qū)由全β相組成有關(guān)。

3 結(jié) 論

(1)高氧TC4鈦合金在990～1 030 ℃范圍內(nèi)變形，流動(dòng)應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的增高和溫度的降低而升高，應(yīng)變速率為1 s-1時(shí)，流變曲線的震蕩是由材料的不穩(wěn)定變形引起的。

(2)高氧TC4鈦合金在β單相區(qū)的變形激活能為141 kJ/mol。本構(gòu)方程為

(3)在990～1 030 ℃加熱溫度下，原始β晶粒尺寸在250～255 μm范圍內(nèi)，β相區(qū)以上溫度加熱，晶粒尺寸對(duì)溫度不敏感。

(4)隨著應(yīng)變速率的增加，原始β晶粒沿與壓縮軸垂直方向被拉長(zhǎng)，在原始β晶界上可觀察到細(xì)小的再結(jié)晶晶粒。高氧TC4鈦合金在β單相區(qū)的變形機(jī)制主要為動(dòng)態(tài)回復(fù)。