TC6鈦合金超塑性變形

丁 凌，王志錄，孫前江，陳 建，王高潮

(1.南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，南昌 330063；2.中航工業(yè)江西景航航空鍛鑄有限公司，江西 景德鎮(zhèn) 333039)

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TC6鈦合金超塑性變形

丁 凌1，王志錄2，孫前江1，陳 建1，王高潮1

(1.南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，南昌 330063；2.中航工業(yè)江西景航航空鍛鑄有限公司，江西 景德鎮(zhèn) 333039)

對(duì)TC6鈦合金在800～900 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，分別進(jìn)行應(yīng)變速率為0.0001～0.1 s-1的恒應(yīng)變速率法拉伸實(shí)驗(yàn)和最大m值法超塑性拉伸實(shí)驗(yàn)，獲得拉伸過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并采用金相顯微鏡對(duì)拉伸后斷口附近顯微組織進(jìn)行分析。結(jié)果表明：TC6合金表現(xiàn)出良好的超塑性性能，隨著應(yīng)變速率或溫度的升高，伸長(zhǎng)率先增大后減小，恒應(yīng)變速率拉伸時(shí)，在溫度850 ℃、應(yīng)變速率0.001 s-1條件下伸長(zhǎng)率可達(dá)到993%；在同一變形溫度下最大m值法拉伸能獲得比恒應(yīng)變速率法更好的超塑性，850 ℃時(shí)伸長(zhǎng)率達(dá)到1353%；TC6合金在超塑性變形過程中發(fā)生了明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，并隨著應(yīng)變速率和溫度的升高動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為增強(qiáng)。

TC6鈦合金；超塑性；高溫拉伸；最大m值

鈦合金是20世紀(jì)中葉發(fā)展起來的一種新型金屬材料，以其高比強(qiáng)度、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)良的綜合性能在航空航天、造船生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。TC6是一種綜合性能良好的α-β兩相鈦合金，具有沖擊韌性好、比強(qiáng)度高、高溫持久性好等優(yōu)點(diǎn)，能在400 ℃下長(zhǎng)時(shí)間工作，主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤和葉片等零件[1-4]。

鈦合金的超塑性成形技術(shù)是利用材料在超塑性狀態(tài)下的優(yōu)異變形性能而發(fā)展起來的一種技術(shù)。當(dāng)鈦合金處于超塑性狀態(tài)時(shí)，其流動(dòng)性能好，易于填充，從而容易成形出形狀復(fù)雜的合格零件[5]。鈦合金鍛件一般形狀復(fù)雜，普通成形方式難以成形，通常采用超塑性成形，且通過超塑性方式成形的鍛件其顯微組織及宏觀性能明顯優(yōu)于普通方式成形的鍛件，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)應(yīng)變速率、變形溫度、組織性能等影響鈦合金超塑性性能的工藝參數(shù)進(jìn)行了大量研究，并對(duì)其超塑性成形機(jī)理進(jìn)行了分析，表明鈦合金的超塑性對(duì)應(yīng)變速率和變形溫度十分敏感[6-9]。

本工作分別利用恒應(yīng)變速率和最大m值[10]的方法對(duì)TC6鈦合金棒料進(jìn)行拉伸，得到該合金在800～900 ℃下超塑性對(duì)應(yīng)變速率與溫度的變化規(guī)律，從中找出恒應(yīng)變速率法拉伸的最佳工藝參數(shù)。對(duì)最大m值拉伸過程中應(yīng)變速率的變化規(guī)律進(jìn)行分析，總結(jié)出在應(yīng)變速率變化條件下的變形機(jī)理，并與恒應(yīng)變速率法最佳工藝參數(shù)的拉伸結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，找出最大m值法可獲得材料最佳超塑性的原因。利用XJP-6A型金相顯微鏡對(duì)TC6拉伸后斷口附近顯微組織進(jìn)行觀察，從微觀的層面分析對(duì)比溫度及應(yīng)變速率對(duì)TC6鈦合金超塑性的影響。得出TC6超塑性變形的工藝參數(shù)，找到最大m值法控制應(yīng)變速率的規(guī)律，對(duì)TC6鈦合金超塑性在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用提供工藝及理論的支持。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

TC6鈦合金為西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司生產(chǎn)的規(guī)格為φ65 mm的棒料，化學(xué)成分見表1，其顯微組織為等軸α和β雙相組織，平均晶粒尺寸約為8 μm(如圖1)，其β轉(zhuǎn)變溫度為983 ℃。加工成φ5 mm、標(biāo)距為15 mm的帶螺紋的圓柱形試樣用于超塑性拉伸實(shí)驗(yàn)。

表1 TC6合金(棒料)化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

Table 1 Chemical composition of TC6 alloy(mass fraction/%)

AlMoCrFeSiTi6.252.431.450.480.3Bal.

圖1 TC6原始材料組織Fig.1 Microstructure of TC6 alloy as-received

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)溫度為800 ℃，850 ℃，900 ℃。恒應(yīng)變速率實(shí)驗(yàn)的應(yīng)變速率為0.1 s-1，0.01 s-1，0.001 s-1，0.0001 s-1。最大m值實(shí)驗(yàn)初速率v0=0.8 mm/min，時(shí)間間隔Δt=6 s，速率跳躍步長(zhǎng)ΔV=0.09 mm/min，各參數(shù)意義見參考文獻(xiàn)[10]。將試樣預(yù)熱至150 ℃，在表面涂抹玻璃潤(rùn)滑劑進(jìn)行防氧化處理，拉伸過程中玻璃潤(rùn)滑劑會(huì)附著在試樣表面將材料與空氣隔絕，拉伸結(jié)束后試樣表面形成一層光滑透亮的玻璃，材料無氧化現(xiàn)象。將材料放入高溫拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)的加熱爐內(nèi)保溫5 min后開始進(jìn)行拉伸，設(shè)備會(huì)自動(dòng)采集實(shí)驗(yàn)過程中的位移、速率、載荷等數(shù)據(jù)。拉伸結(jié)束后對(duì)材料進(jìn)行水淬以保存變形高溫組織，對(duì)斷口附近材料進(jìn)行鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕(腐蝕液為HF ∶HNO3∶H2O=1 ∶3 ∶7)，利用金相顯微鏡對(duì)腐蝕后顯微組織進(jìn)行觀察。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在800～900 ℃溫度區(qū)間內(nèi)TC6表現(xiàn)出了良好的超塑性性能，每個(gè)溫度下均獲得了較好的伸長(zhǎng)率。最大m值法拉伸獲得了十分優(yōu)異的超塑性，如圖2(a)所示，850 ℃時(shí)伸長(zhǎng)率達(dá)到1353%。TC6伸長(zhǎng)率受溫度及應(yīng)變速率影響明顯，隨著應(yīng)變速率或溫度的升高，伸長(zhǎng)率先增大后減小，在850 ℃、應(yīng)變速率0.001s-1條件下獲得最佳值，伸長(zhǎng)率達(dá)到993%。并且在相同變形溫度下，最大m值拉伸獲得的伸長(zhǎng)率均大于最佳應(yīng)變速率進(jìn)行恒應(yīng)變速率拉伸的伸長(zhǎng)率。

圖2 最大m值法及恒應(yīng)變速率法超塑性拉伸試樣 (a)最大m值法；(b)850 ℃恒應(yīng)變速率法；恒應(yīng)變速率法Fig.2 Samples after superplastic tensile test with the Max m SPD and the constant strain rate (a)the Max m SPD；(b)constant strain rate tensile at 850 ℃；

2.2 實(shí)驗(yàn)曲線分析

最大m值拉伸時(shí)，應(yīng)變速率不停循環(huán)使得材料始終保持最佳應(yīng)變速率變形[11]。如圖3所示，隨著應(yīng)變量的增加，應(yīng)變速率從預(yù)設(shè)值開始迅速增加，達(dá)到峰值后逐漸下降，隨后保持在0.00003 s-1至0.0002 s-1范圍內(nèi)循環(huán)并緩慢減小，最終其平均應(yīng)變速率為0.00014 s-1。其流變應(yīng)力表現(xiàn)出對(duì)應(yīng)變速率的高度敏感，變形過程中應(yīng)力隨應(yīng)變速率的波動(dòng)而變化，且變化趨勢(shì)保持一致。

圖3 最大m值法條件下拉伸應(yīng)力-應(yīng)變及應(yīng)變速率-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain and strain rate-stain curves in the Max m SPD tensile test

各個(gè)條件下TC6 鈦合金恒應(yīng)變速率拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為相似的特征(如圖4)，其高溫變形過程分為兩個(gè)階段：在變形開始階段，流動(dòng)應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而迅速上升，當(dāng)達(dá)到峰值后，流動(dòng)應(yīng)力開始下降并逐漸趨于穩(wěn)定，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。從金屬高溫塑性變形的物理本質(zhì)來看，在變形初期，動(dòng)態(tài)回復(fù)主要為軟化機(jī)制，但它引起的動(dòng)態(tài)軟化遠(yuǎn)不足以補(bǔ)償變形產(chǎn)生的加工硬化，因此流動(dòng)應(yīng)力以較快的速率增大[12-13]；當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值后，由于變形初始階段儲(chǔ)存了大量的畸變能，促進(jìn)了動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，因而出現(xiàn)明顯的軟化現(xiàn)象，引起流動(dòng)應(yīng)力下降，并當(dāng)軟化與硬化達(dá)到平衡時(shí)流動(dòng)應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定。

隨溫度的升高，TC6變形抗力減小，極限應(yīng)變先增大再減小，如圖4(a)所示。這是由于溫度升高不僅降低了臨界切變應(yīng)力，減小了對(duì)材料位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和晶面間滑移的阻礙，而且增加了原子動(dòng)能，促進(jìn)了晶界的滑移及擴(kuò)散蠕變能力，增強(qiáng)了動(dòng)態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶，使得變形抗力降低且變形能力提高[14]；但隨著溫度的進(jìn)一步升高，晶粒過分長(zhǎng)大使得TC6塑性降低。如圖4(b)所示，隨著應(yīng)變速率的增加，TC6變形抗力增加，且變形過程中流動(dòng)應(yīng)力達(dá)到峰值后下降的速率也隨之加快，當(dāng)應(yīng)變速率為0.001 s-1時(shí)沒有下降趨勢(shì)而直接進(jìn)入穩(wěn)態(tài)流動(dòng)階段，而應(yīng)變速率為0.0001 s-1時(shí)流動(dòng)應(yīng)力在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)階段仍保持緩慢上升的趨勢(shì)。這是由于應(yīng)變速率越大，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率越快變形需要更大的切應(yīng)力，且位錯(cuò)堆積的速率加快，必然會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力的上升。一般認(rèn)為材料的流變軟化現(xiàn)象與熱效應(yīng)和溫度效應(yīng)有關(guān)，當(dāng)應(yīng)變速率較大時(shí)產(chǎn)生的變形熱無法及時(shí)向周圍環(huán)境釋放，導(dǎo)致局部升溫引起流變軟化[15]。熱效應(yīng)加快了動(dòng)態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶的發(fā)生，促進(jìn)了軟化的進(jìn)程,故在較大的應(yīng)變速率下變形時(shí)材料軟化明顯。

圖4 TC6恒應(yīng)變速率拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.；(b)T=850 ℃

2.3 金相分析

圖5為850 ℃下TC6最大m值法和恒應(yīng)變速率法不同應(yīng)變速率拉伸后斷口附近的顯微組織。相比于圖1中TC6的原始組織，兩種方法拉伸后材料內(nèi)部均出現(xiàn)了大量細(xì)小的等軸晶粒，說明TC6在超塑性變形過程中發(fā)生了明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，且不同溫度及應(yīng)變速率條件下獲得的晶粒尺寸均有所不同。

圖5(a)為最大m值法拉伸后斷口附近顯微組織，可以看到平均晶粒尺寸約為11 μm，比原始晶粒尺寸8 μm有所長(zhǎng)大。最大m值法拉伸時(shí)應(yīng)變速率不停的循環(huán)尋找材料最佳的應(yīng)變速率(如圖3)，變形初始階段TC6組織均勻且等軸，有利于晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)和晶界的滑移，且晶內(nèi)原子排列有序無畸變，位錯(cuò)的增殖、滑移阻力較小，堆積位錯(cuò)的能力強(qiáng)，可參與變形的晶粒多，此時(shí)材料可在較快的應(yīng)變速率下變形而不會(huì)發(fā)生破壞。隨著變形量的增大，材料內(nèi)部位錯(cuò)大量堆積，晶粒隨著變形的進(jìn)行被拉長(zhǎng)破碎，產(chǎn)生大量畸變的晶粒，從而材料發(fā)生硬化，此時(shí)材料內(nèi)部畸變的區(qū)域可能會(huì)出現(xiàn)空洞，繼續(xù)變形會(huì)促進(jìn)空洞的形成及擴(kuò)展。由于前期變形中材料內(nèi)部積累了大量的畸變能，降低應(yīng)變速率提供足夠的時(shí)間使畸變能釋放，有利于再結(jié)晶形核及形核后晶粒長(zhǎng)大，并將前期變形出現(xiàn)的畸變晶粒吞噬形成新的晶粒，從而促進(jìn)材料軟化。新形核的晶粒原子排列有序、形狀規(guī)則、等軸度高，作為新的變形載體可保持試樣繼續(xù)變形。由于最大m值應(yīng)變速率一直循環(huán)尋找最佳的應(yīng)變速率，軟化與硬化過程始終保持動(dòng)態(tài)平衡，使得材料可以持續(xù)變形。由于整體應(yīng)變速率較小，變形時(shí)間長(zhǎng)，再結(jié)晶形核晶粒有足夠時(shí)間合并、長(zhǎng)大，故最終晶粒有所長(zhǎng)大。

恒應(yīng)變速率法拉伸時(shí)，隨著應(yīng)變速率的增加，斷口附近再結(jié)晶形核晶粒增多，且晶粒尺寸減小，如圖5(b)，(c)，(d)分別為850 ℃、應(yīng)變速率0.0001 s-1，0.001 s-1，0.01 s-1條件下拉伸后的斷口附近顯微組織，其平均晶粒尺寸分別為9.4 μm，5.5 μm，2.6 μm。這是由于應(yīng)變速率增大，變形時(shí)熱效應(yīng)增加，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化的驅(qū)動(dòng)力增強(qiáng)，促進(jìn)了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的進(jìn)行，大應(yīng)變速率下，變形時(shí)間較短，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核晶粒沒有足夠的時(shí)間生長(zhǎng)，材料內(nèi)部形成的缺陷不能得到充分的消除，加快了破壞的進(jìn)程，變形后晶粒較小。相反在較低的應(yīng)變速率下變形時(shí)，沒有足夠的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，軟化機(jī)制主要為動(dòng)態(tài)回復(fù)[13]，且由于變形時(shí)間較長(zhǎng)晶粒長(zhǎng)大嚴(yán)重，降低了材料塑性。在最佳應(yīng)變速率0.001 s-1條件下變形時(shí)，由圖4可知，當(dāng)變形達(dá)到再結(jié)晶臨界變形量后便進(jìn)入穩(wěn)態(tài)變形階段，應(yīng)力始終保持在同一水平，與最大m值法拉伸類似，材料軟化與硬化保持動(dòng)態(tài)平衡，但由于應(yīng)變速率較大再結(jié)晶形核速率大于晶粒長(zhǎng)大速率，使得最終晶粒尺寸有所減小。

圖6(a)，(b)和圖5(c)分別為800 ℃，900 ℃，850 ℃，應(yīng)變速率0.001 s-1條件下拉伸后的斷口附近顯微組織，平均晶粒尺寸分別為1.8 μm，9 μm，5.5 μm。可以看出隨著變形溫度的升高，斷口附近晶粒尺寸增大，等軸度提高，再結(jié)晶形核比例減小。較低溫度變形時(shí)，當(dāng)變形量足夠，材料內(nèi)畸變能充足時(shí)依然會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，但由于溫度較低，再結(jié)晶完成后變形引起的儲(chǔ)存能已基本上完成釋放[16]，由于沒有足夠的驅(qū)動(dòng)力，新的形核晶粒長(zhǎng)大困難，變形結(jié)束后顯微組織中存在較多的再結(jié)晶形核晶粒，加之變形量較小的區(qū)域無法發(fā)生再結(jié)晶，變形后顯微組織中晶?；儑?yán)重。溫度較高時(shí)，再結(jié)晶臨界變形量較小，材料內(nèi)能量充足，再結(jié)晶形核晶粒及原始晶粒易于長(zhǎng)大，變形后材料晶粒較大。

圖5 850 ℃下TC6超塑拉伸變形后的顯微組織Fig.5 Microstructure after superplastic tensile test at 850 ℃ (a) the Max m SPD ；；；

圖6 應(yīng)變速率0.001 s-1時(shí)不同溫度TC6拉伸變形后的顯微組織Fig.℃；(b)900 ℃

3 結(jié) 論

(1)最大m值法拉伸條件下TC6合金可獲得優(yōu)異的超塑性，在相同溫度下，最大m值法拉伸的伸長(zhǎng)率明顯優(yōu)于恒應(yīng)變速率法，850 ℃下最大m值法拉伸的伸長(zhǎng)率可達(dá)1353%。

(3)TC6合金在超塑性變形過程中發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，并隨著變形速率的增加其動(dòng)態(tài)再結(jié)晶增強(qiáng)。

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(責(zé)任編輯：徐永祥)

Superplastic Deformation of TC6 Alloy

DING Ling1，WANG Zhilu2，SUN Qianjiang1，CHEN Jian1，WANG Gaochao1

(1. School of Aeronautical Manufacturing Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China；2. Aviation Industry Corporation of China, Jiangxi Jing Hang Forging and Casting Co.Ltd , Jingdezhen 333039, Jiangxi, China)

The superplastic tensile tests of TC6 alloy were conducted in the temperature range of 800-900 ℃ by using the maximummvalue superplasticity deformation (MaxmSPD) method and the constant strain rate deformation method at the strain rate range of 0.0001-0.1 s-1. The stress-strain curve of the tensile tests was obtained and the microstructure near the fracture were analyzed by metallographic microscope. The result shows that the superplasticity of TC6 alloy is excellent, and the elongation increases first and then decreases with the increase of strain rate or temperature. When the temperature is 850 ℃ and strain rate is 0.001 s-1at constant stain rate tensile tests, the elongation reaches up to 993%. However, the elongation using MaxmSPD method at 850 ℃ is 1353%. It is shown that the material can achieve better superplasticity by using MaxmSPD tensile compared to constant stain rate tensile under the same temperature. The superplastic deformation of TC6 alloy can enhance the dynamic recrystallization behavior significantly, the dynamic recrystallization behavior is promoted when strain rate and temperature are increased.

TC6 alloy; superplasticity ; isothermal tensile ; maximummvalue

2015-12-16；

2016-02-01

江西省科技支撐重點(diǎn)項(xiàng)目(CB201403026)；中航工業(yè)校企合作項(xiàng)目(GHK201503009，GHK201503054)；江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20142BAB206021)

王高潮(1956—)，男，教授，主要從事鈦合金超塑成形研究，(E-mail)wanggaochao@nchu.edu.cn。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.6.004

TG316

A

1005-5053(2016)06-0023-06