張學(xué)敏，曹宇霞，李 悅，焦奔奇,梁夢(mèng)妍,袁戰(zhàn)偉,曾衛(wèi)東

(1.長(zhǎng)安大學(xué),陜西 西安 710064)(2.西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710072)

0 引 言

為了防止發(fā)動(dòng)機(jī)中鈦合金燃燒事故的發(fā)生，減輕飛機(jī)重量，滿足高推重比先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需要，各國(guó)競(jìng)相開展了阻燃鈦合金的研制工作。2011年，西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司聯(lián)合西北有色金屬研究院、北京航空材料研究院、西北工業(yè)大學(xué)等單位在美國(guó)研制的Alloy C(Ti-35V-15Cr)、Alloy C+(Ti-35V-15Cr-0.6Si-0.05C)和我國(guó)研制的Ti40(Ti-25V-15Cr-0.2Si) 合金的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整V、Si、C元素含量，成功研制了一種新型高合金化β型阻燃鈦合金WSTi3515S合金(Ti-35V-15Cr-xSi-yC)[1]。目前已對(duì)該合金的熱物理性能、力學(xué)性能、熱暴露性能、工程化制備等方面進(jìn)行了深入研究[2-5]，但有關(guān)其超塑性成形的研究尚未見報(bào)道。這可能是由于WSTi3515S阻燃鈦合金內(nèi)部為單相粗大β晶粒，不能滿足細(xì)晶超塑性要求晶粒粒徑小于10 μm的前提條件。然而，近年研究表明具有粗大晶粒的鈦合金在適當(dāng)?shù)淖冃螚l件下也具有良好的超塑性[6-8]。大晶粒超塑性的實(shí)現(xiàn)對(duì)于縮短工藝流程，提高生產(chǎn)效率具有重要意義。鑒于此，研究了WSTi3515S阻燃鈦合金超塑性拉伸的力學(xué)行為，建立合金的超塑性本構(gòu)方程，旨在探討WSTi3515S阻燃鈦合金的最佳超塑性變形條件，描述材料變形時(shí)熱力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系模型，為后續(xù)有限元數(shù)值模擬以及制定和優(yōu)化成形工藝參數(shù)提供依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為熱軋退火態(tài)WSTi3515S合金，其原始組織為粗大的單相β晶粒，晶粒尺寸約為32 μm(圖1)。通過線切割將試樣加工成標(biāo)距尺寸為10 mm×6 mm×2 mm的拉伸試樣，在試樣表面涂覆高溫抗氧化涂料。在大氣氣氛下，采用CMT4104型電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行等溫恒應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)，拉伸方向與軋制方向相同，試驗(yàn)溫度范圍為800～920 ℃(溫度間隔為40 ℃)，應(yīng)變速率為0.000 5、0.001、0.005、0.01 s-1。

圖1 熱軋退火態(tài)WSTi3515S合金的原始組織Fig.1 Original microstructure of roll-annealing WSTi3515S alloy

2 結(jié)果與分析

2.1 斷裂延伸率

圖2為WSTi3515S阻燃鈦合金板材在不同條件下拉伸后的延伸率。從圖2可以看出，應(yīng)變速率較低時(shí)(0.000 5～0.001 s-1)，試樣的延伸率均達(dá)到300%以上，表現(xiàn)出良好的超塑性能，在變形條件為920 ℃、0.000 5 s-1時(shí)獲得最大延伸率556%。隨著應(yīng)變速率增加，WSTi3515S合金的延伸率顯著減小，尤其在低溫(800 ℃)下，延伸率僅為186%左右?？梢姡琖STi3515S合金的大晶粒超塑性行為對(duì)于應(yīng)變速率和溫度都非常敏感，但是仍具有相當(dāng)寬的超塑性溫度范圍及應(yīng)變速率區(qū)間。

圖2 WSTi3515S合金延伸率隨溫度的變化曲線Fig.2 Curves of elongation various with temperature of WSTi3515S alloy

2.2 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

WSTi3515S 合金超塑性拉伸變形的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖3所示。從圖3可以看出，WSTi3515S合金在單軸拉伸過程中，穩(wěn)態(tài)變形階段很短甚至不出現(xiàn)，變形主要集中在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)變形階段，且準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)變形階段越長(zhǎng)，獲得的延伸率越大。

準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)變形區(qū)可以分為2個(gè)階段。第1階段為真應(yīng)力逐漸升高的應(yīng)變硬化階段。屈服之后，試樣在變形過程中表現(xiàn)出持續(xù)應(yīng)變硬化行為，這種現(xiàn)象在Ti-6Al-4V合金的超塑性變形中也有發(fā)現(xiàn)[9-10]。研究認(rèn)為，適當(dāng)?shù)挠不捎行б种祁i縮。硬化速率越慢，流動(dòng)應(yīng)力越穩(wěn)定，越容易獲得高的延伸率。結(jié)合本研究中WSTi3515S合金的大晶粒特性，認(rèn)為超塑性變形出現(xiàn)應(yīng)變硬化的原因主要是由位錯(cuò)塞積引起的。變形過程中只有處于有利取向的晶界才能產(chǎn)生滑移并參與合金變形，其余晶粒特別是大晶粒仍發(fā)生晶內(nèi)滑移。晶內(nèi)滑移造成位錯(cuò)數(shù)量急劇上升，導(dǎo)致位錯(cuò)塞積，引起應(yīng)力上升。第2階段為真應(yīng)力越過峰值后下降的應(yīng)變軟化階段。超塑變形中產(chǎn)生應(yīng)變軟化的原因主要有2個(gè)：①動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；②幾何頸縮。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶既可細(xì)化晶粒，又能引起應(yīng)力松弛，使晶界滑移過程更容易進(jìn)行，促使進(jìn)一步變形所需的應(yīng)力顯著降低。典型的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象已在粗晶Ti40阻燃鈦合金超塑性變形中觀察到，其真應(yīng)力-應(yīng)變曲線與WSTi3515S合金的變化趨勢(shì)類似[11]。幾何頸縮包括內(nèi)頸縮和宏觀頸縮。變形時(shí)因內(nèi)部空洞所占體積的增大和試樣變形不均勻性的增加，流變應(yīng)力的計(jì)算值會(huì)降低。

圖3 WSTi3515S合金在不同應(yīng)變速率下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.3 True stress-strain curves of WSTi3515S alloy at different strain rates:(a)0.000 5 s-1；(b)0.001 s-1；(c)0.005 s-1；(d)0.01 s-1

2.3 應(yīng)變速率敏感指數(shù)m值分析

2.4 WSTi3515S阻燃鈦合金超塑性變形本構(gòu)關(guān)系

WSTi3515S合金在超塑性變形時(shí)受到多種熱力參數(shù)的影響，可通過建立這些參數(shù)與材料流動(dòng)應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系即本構(gòu)方程來表征其超塑性行為。

圖4 WSTi3515S合金的關(guān)系曲線 curves of WSTi3515S alloy

2.4.1 Arrhenius方程

超塑性變形過程屬于高溫變形范疇，也是一個(gè)熱激活過程，其變形溫度、應(yīng)變速率對(duì)流變應(yīng)力的影響可用Arrhenius方程表示[12]。

(1)

對(duì)方程(1)兩邊分別取自然對(duì)數(shù)，并設(shè)變形激活能Q與溫度T無關(guān)，整理可得：

(2)

由方程(2)求偏導(dǎo)可得：

(3)

圖5 WSTi3515S 合金的關(guān)系曲線 curves of WSTi3515S alloy

由方程(2)可導(dǎo)出變形激活能的表達(dá)式為：

(4)

Q=Rnk

(5)

圖6 WSTi3515S合金的lnσ-1/T關(guān)系曲線Fig.6 lnσ-1/T curves of WSTi3515S alloy

(6)

(7)

為了驗(yàn)證所建立的本構(gòu)方程的精確度，對(duì)不同溫度下的流動(dòng)應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的相對(duì)誤差均小于15%，但部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)的相對(duì)誤差超過了10%，所構(gòu)建的本構(gòu)方程的精度并不高，因此需要通過更好的方式建立精度更高的本構(gòu)模型。

圖7 Arrhenius本構(gòu)方程誤差精度效果圖Fig.7 Diagram of error precision of Arrhenius constitutive equation

2.4.2 多項(xiàng)式模型

多項(xiàng)式模型由于其計(jì)算精度高、擬合系數(shù)數(shù)量級(jí)相近等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)、醫(yī)學(xué)、交通、工業(yè)控制等領(lǐng)域。常見的多項(xiàng)式模型包括溫度冪指數(shù)模型[13-14]、逐步回歸模型[15-16]和正交多項(xiàng)式模型[17]。本研究在逐步回歸模型基礎(chǔ)上，充分考慮應(yīng)變、應(yīng)變速率和溫度對(duì)流動(dòng)應(yīng)力的綜合影響，提出如下本構(gòu)模型:

(8)

利用SPSS軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸所獲得的回歸系數(shù):b0=-8.046，b1=186，b2=0.006，b3=0，b4=-10 805.508，b5=0，b6=10 065 622.27，b7=27 872.619，b8=0.946，b9=-1 184.197，b10=35.738。

對(duì)多項(xiàng)式模型本構(gòu)方程計(jì)算的流動(dòng)應(yīng)力值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出，計(jì)數(shù)值與實(shí)驗(yàn)值吻合程度較好，所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的相對(duì)誤差均小于10%，相對(duì)誤差小于5%的數(shù)據(jù)點(diǎn)占總數(shù)據(jù)點(diǎn)的81.25%。因此，所構(gòu)建本構(gòu)方程的精度較高，能夠滿足數(shù)值模擬的精度要求。

圖8 多項(xiàng)式模型本構(gòu)方程誤差精度效果圖Fig.8 Diagram of error precision of polynomial model constitutive equation

3 結(jié) 論

(1) 原始晶粒粗大的WSTi3515S合金可在較寬的溫度范圍及應(yīng)變速率區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)超塑性。合金在高溫低應(yīng)變速率條件下具有良好的超塑性能，延伸率均在300%以上。最佳超塑性變形條件為920 ℃、0.000 5 s-1，該條件下獲得的最大延伸率為556%。

(2) WSTi3515S合金在超塑性拉伸過程中，穩(wěn)態(tài)變形階段很短甚至不出現(xiàn)，變形主要集中在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)變形階段，且準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)變形階段越長(zhǎng)，獲得的延伸率越大。

(3) 采用Arrhenuis型方程建立的WSTi3515S合金超塑性本構(gòu)關(guān)系精度不高；采用多項(xiàng)式模型構(gòu)建的本構(gòu)方程，相對(duì)誤差基本在5%以內(nèi)，能夠滿足數(shù)值模擬的精度要求。