TC18鈦合金熱壓參數對流動應力與顯微組織的影響

李紅恩,沙愛學

(1沈陽飛機設計研究所,沈陽110035;2北京航空材料研究院,北京100095)

TC18鈦合金熱壓參數對流動應力與顯微組織的影響

李紅恩1,沙愛學2

(1沈陽飛機設計研究所,沈陽110035;2北京航空材料研究院,北京100095)

通過在700～950℃和應變速率0.001～50s-1條件下的熱模擬實驗,系統研究了 TC18鈦合金應變速率、變形溫度對變形抗力和顯微組織的影響。結果表明:提高變形溫度或降低應變速率,可顯著降低 TC18合金變形過程中的真應力,與單相區相比,兩相區變形抗力對溫度的變化更為敏感。在α+β區變形時α,相和β相都參與變形,球狀初生α沿形變方向略有拉長β,相沿金屬流動方向形成纖維組織;β相變點以上溫度變形時β,相沿金屬流動方向呈纖維狀分布,在950℃可以觀察到再結晶的等軸β晶粒。

TC18鈦合金;熱變形;顯微組織

Abstract:The effect of strain rate and deformation temperature on the deformation resistance and the microstructure of TC18 titanium alloy was studied through heat simulating test at 700-950℃and strain rate 0.001-50s-1.The results show that,when the deformation temperature increases or the strain rate decreases,the real stress can be reduced obviously.Comparing to deformation inβphase, deformation resistance inα+βphase is more sensitive to the change of temperatures.Whenα+β phase deformed,αandβphases join in deformation at the same time,but deformation degree is different.Preliminary equiaxed alpha phase is elongated slightly and beta phase changes to fiber texture along deformation direction.Whenβphase deformed,beta phase is fibrous along metal flowing direction,and equiaxed beta grain can be seen when the deformed temperature is above 950℃.

Key words:TC18 titanium alloy;hot deformation;microstructure

TC18鈦合金是典型的過渡型合金,具有良好的熱加工性、焊接性、淬透性和可熱處理強化性[1-3]。該合金雙重退火后的強度在1080MPa以上,淬透截面為250mm;固溶時效后的強度在1280MPa以上,淬透截面為100mm,特別適合制造飛機上的大型主承力構件,已經在俄羅斯多種型號的軍民用飛機上獲得了廣泛應用[4-6]。TC18合金力學性能對熱變形工藝和熱處理工藝都很敏感,開發合適的熱變形工藝是獲得最佳性能匹配及良好高低倍組織的關鍵因素之一。熱變形工藝參數主要包括加熱溫度、應變速率、保溫時間、變形量等,以往的研究主要針對 TC18合金模鍛變形溫度、變形量等工藝參數展開[7,8]。本工作通過在700～950℃和應變速率0.001～50s-1下進行熱模擬實驗,系統研究了應變速率、加熱溫度對 TC18合金變形抗力和顯微組織的影響,為制定合理的 TC18合金熱變形工藝提供理論和技術上的支持。

1 實驗材料和方法

實驗所用材料是寶鈦公司生產的φ170mm TC18鈦合金棒材,爐號為548-20061318,化學成分(質量分數/%)如下:Al 5.1,Mo 5.0,V 5.0,Cr 0.93,Fe 0.93,C 0.02,N 0.01,H 0.001,O 0.1,其余為 Ti,相變點Tβ=865℃。圖1是原材料的顯微組織,顯微組織由等軸α相和β轉變組織組成。熱模擬實驗在Gleeble-1500熱模擬試驗機上進行,采用等溫恒應變速率壓縮變形方式,試樣尺寸為φ8mm×15mm。實驗溫度:700,750,800,850,880,900℃和 950℃;應變速率:10-3,10-2,10-1,1,10s-1和50s-1。系統升溫時間1min,保溫2min后進行真應變約為70%的壓縮變形,試樣變形后空冷到室溫。變形過程中系統自動控制和采集變形溫度、變形速率和變形量。變形后的試樣沿軸向中心線縱切,進行顯微組織觀察。

圖1 TC18鈦合金棒材原始組織SEM照片Fig.1 SEM image of original microstructures of TC18 titanium alloy bar

2 實驗結果與分析

2.1 應力-應變曲線

TC18鈦合金在不同溫度和應變速率下的真應力-真應變曲線見圖2。由圖2可見,提高變形溫度或降低應變速率,可顯著降低 TC18合金變形過程中的真應力。Tβ以下變形時,真應力隨溫度變化很大;Tβ以上變形時變化較小,說明α+β兩相區變形抗力對溫度的變化更為敏感。當應變速率低于1s-1且變形溫度較高(＞850℃)時,應力-應變曲線為動態回復型,即變形初期以加工硬化為主,而后出現動態回復,抵消部分加工硬化,最后變形過程的加工硬化幾乎完全被動態回復所引起的軟化所抵消,表現為流變應力不隨應變增加而增加,進入穩態。當應變速率提高到10s-1時,變形溫度低于850℃時,應力-應變曲線呈現單峰的動態再結晶型;變形溫度高于850℃時,應力-應變曲線呈現多峰的動態再結晶型。當應變速率提高到50s-1時,在所有實驗溫度下的應力-應變曲線均為單峰的動態再結晶型。這時變形初期是加工硬化階段,此階段僅出現較緩慢的動態回復,硬化作用大于軟化,表現為應力不斷提高;當應變達到約0.7的峰值應變時,開始形成再結晶晶粒;隨著動態再結晶的逐漸加劇,軟化作用大于硬化作用,于是曲線下降。

圖2 TC18鈦合金在不同溫度和應變速率下的真應力-真應變曲線(a)0.001s-1;(b)0.01s-1;(c)0.1s-1;(d)1s-1;(e)10s-1;(f)50s-1Fig.2 True stress-true strain curves of TC18 titanium alloy at different temperatures and strain rates (a)0.001s-1;(b)0.01s-1;(c)0.1s-1;(d)1s-1;(e)10s-1;(f)50s-1

2.2 顯微組織

圖3為應變速率1s-1時不同溫度變形后的顯微組織。由圖3可見,在α+β區變形時,α相和β相都參與變形,球狀初生α沿形變方向略有拉長,β相沿金屬流動方向形成纖維組織。β相變點以上溫度變形時,金屬沿流動方向呈纖維狀分布。TC18合金中β相穩定性很高,在變形后的空冷過程中未發生分解。另外由圖3(c)可見,由于升溫和保溫時間很短,在880℃仍有極少量α相存在,由于數量很少,不會對金屬流動產生明顯的阻礙作用。

圖3 TC18鈦合金在1s-1應變速率下不同溫度變形后的空冷組織(a)750℃;(b)850℃;(c)880℃;(d)950℃Fig.3 Microstructures of TC18 titanium alloy while deformed at different temperatures and cooled in air at strain rate of 1s-1(a)750℃;(b)850℃;(c)880℃;(d)950℃

2.3 與中等強度鈦合金變形抗力的比較

TC18鈦合金變形抗力與最常用的中等強度鈦合金TC4,TA15變形抗力的比較是鍛造技術人員十分關心的,圖4給出了兩種典型應變速率下三個合金最大變形抗力-溫度曲線。可以看出,在相同加熱溫度下,應變速率低時變形抗力由高到低的順序是 TA15→TC4→TC18(圖4(a));應變速率高時變形抗力由高到低的順序是 TA15→TC18→TC4(圖4(b))。由于TC18鈦合金的相變點比 TC4,TA15低120℃左右,實際模鍛溫度相應也低,因此更有意義的比較應該在三個合金各自典型的模鍛溫度下進行,結果見圖5。由圖5可見,在水壓機上熱模鍛通常采用的低應變速率(0.01s-1)下,TC18鈦合金變形抗力與 TA15相當,高于 TC4;在接近錘上模鍛的高應變速率(50s-1)下, TC18鈦合金變形抗力明顯高于 TA15和 TC4。這意味著TC18鈦合金錘上變形時過熱傾向更加明顯,因此鍛造工藝參數和工藝過程的控制也應更加嚴格。

圖4 TC4,TA15,TC18鈦合金不同應變速率下最大變形抗力的比較(a)=0.01s-1;(b)=50s-1Fig.4 Comparison of the maxium deformation resistance of TC4,TA15 and TC18 alloys at different strain rates (a)=0.01s-1;(b)=50s-1

圖5 TC4,TA15,TC18鈦合金在典型模鍛溫度下最大變形抗力的比較Fig.5 Comparison of the maxium deformation resistance of TC4,TA15 and TC18 alloys at different typical di-model temperatures

3 結論

(1)提高變形溫度或降低應變速率,可顯著降低TC18鈦合金變形過程中的真應力;與β區相比,α+β兩相區變形抗力對溫度的變化更為敏感。

(2)在α+β區變形時,α相和β相都參與變形,球狀初生α沿形變方向略有拉長,β相沿金屬流動方向形成纖維組織;β相變點以上溫度變形時,β相沿金屬流動方向呈纖維狀分布,在950℃可以觀察到再結晶的等軸β晶粒。

(3)當錘上模鍛(應變速率接近50s-1)時,在各自的鍛造溫度下,TC18鈦合金變形抗力明顯高于 TA15和TC4。

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Effects of Hot Process Parameters on Flow Stress and Microstructures of TC18 Titanium Alloy

LI Hong-en1,SHA Ai-xue2
(1 Shenyang Aircraft Design&Research Institute,Shenyang 110035,China; 2 Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)

TG146.2+3

A

1001-4381(2010)01-0085-04

2008-12-03;

2009-08-08

李紅恩(1969—),女,碩士,主要從事飛機用鈦合金研究,聯系地址:沈陽市725信箱306室(110035),E-mail:lhongen@126.com