TiAl合金高溫流變行為及流動應力模型

李建偉，劉 瀏，2，鄒宗樹

(1.東北大學，遼寧 沈陽 110819)(2.鋼鐵研究總院，北京 100081)

0 引 言

TiAl金屬間化合物合金(以下簡稱TiAl合金)具有高比強度、高比模量以及優良的抗蠕變和高溫抗氧化性能，是當前極具發展潛力的航空航天用高溫結構材料[1]。然而TiAl合金室溫塑性低，極大地限制了其在工程上的應用[2]。擠壓、鍛造、軋制等熱加工可以顯著提高TiAl合金的室溫塑性，改善綜合力學性能[3]，因此TiAl合金的高溫變形行為獲得了廣泛關注，并成為研究熱點之一。

材料的流動應力模型(本構關系)可用于表征材料在熱變形過程中的流動應力與高溫變形參數之間的關系，是金屬材料熱加工工藝參數優化和設計的基礎，是材料變形特性的關鍵表征。國內外研究人員已對高溫合金、鈦合金等的流動應力模型進行了大量研究，研究成果對實際的熱加工過程起到了較好的指導作用。而且，研究人員對TiAl合金的流動應力模型也有研究，構建的模型可以較好地描述TiAl合金的高溫流變行為。然而已有研究多集中于實驗室制備的小尺寸TiAl合金鑄錠[4-6]，而針對工業尺度TiAl合金鑄錠本構模型方面的研究仍較少。由于工業尺度TiAl合金鑄錠的組織與小尺寸鑄錠顯著不同，體現在其晶粒尺寸更為粗大，且以柱狀晶為主，使得其熱變形行為也將發生明顯的變化。

本研究采用等溫熱壓縮的方法，研究熱壓縮溫度、速度、變形量對TiAl合金高溫變形時流變行為的影響規律，并利用最小二乘法建立TiAl合金高溫變形時的流動應力模型，以期為TiAl合金熱加工工藝參數的制定提供理論依據。

1 實 驗

采用真空自耗電弧熔煉(VAR)方法制備規格為φ220 mm×500 mm的TiAl合金鑄錠，其低倍及高倍組織如圖1所示。從圖1可以看出， TiAl合金鑄錠呈現粗大的柱狀晶組織，這主要是由于該TiAl合金凝固路線經過α單相區所致，柱狀晶的寬度平均為700 μm。沿TiAl合金鑄錠縱向切取直徑為10 mm、長度為18 mm的圓柱試樣16支。將切取的圓柱試樣在Gleeble-1500試驗機上進行熱壓縮，試樣經感應加熱至設定溫度后保溫5 min再進行壓縮，壓縮變形量均為50%，壓縮溫度分別為1 050、1 100、1 150、1 200 ℃，壓縮應變速率分別為0.001、0.01、0.1、1 s-1，試樣經過熱壓縮后進行水淬冷卻，以保留TiAl合金高溫壓縮時的變形組織。采用Zeiss 1525型掃描電鏡的電子背散射衍射(EBSD)技術觀測壓縮后TiAl合金的微觀組織。

圖1 TiAl合金鑄錠低倍與高倍組織照片Fig.1 Macrostructure(a) and microstructure(b) of TiAl alloy ingot

2 結果與討論

2.1 TiAl合金的流變行為

材料的真應力- 真應變曲線反映了材料變形抗力與變形參數之間的關系，由材料的組織、性能變化所決定[7]。圖2給出了TiAl合金在不同應變速率下的真應力- 真應變曲線。由圖2可以看出，在變形初始階段，TiAl合金呈現加工硬化特征，當流動應力達到峰值后合金的流變軟化作用成為主要特征。隨著應變的進一步增大，TiAl合金變形的流動應力逐漸趨于穩定，該現象在低應變速率條件下尤為明顯。

圖2 TiAl合金的真應力-真應變曲線Fig.2 True stress-true strain curves of TiAl alloy at different strain rates:(a)0.001 s-1;(b)0.01 s-1;(c)0.1 s-1;(d)1 s-1

TiAl合金鑄錠組織為粗大的柱狀晶，該柱狀晶由粗大的層片團組成，層片團由α2相與γ相板條交替排列構成。圖3為TiAl合金在1 150 ℃/0.1 s-1條件下熱壓縮時，真應變分別為0.05、0.3、0.8時的EBSD照片。由圖3可以看出，在熱壓縮的初始階段，再結晶首先發生在層片晶粒的晶界位置(如圖3a)，變形量進一步增大時這些層片發生偏轉，層片取向逐漸轉變為硬取向(層片板條與壓縮方向垂直)排列，隨著變形量的進一步增大，硬取向排列的α2相板條逐漸發生間斷、球化，由板條形狀轉變為球狀，并最終溶解于γ相基體中，進而γ相發生動態再結晶(如圖3b、3c)。圖4為TiAl合金動態再結晶過程中的組織演變示意圖。在試驗溫度范圍內，TiAl合金的動態再結晶主要由γ相的再結晶所貢獻。在熱變形過程中，TiAl合金的流動應力軟化程度較大，且在變形溫度較低時尤為明顯。這種現象不利于TiAl合金熱變形過程中應變的均勻分布。

圖3 TiAl合金在1 150 ℃/0.1 s-1條件下熱壓縮時不同真應變下的EBSD照片Fig.3 EBSD images of TiAl alloy hot deformed at 1 150 ℃ with a strain rate of 0.1 s-1 ：(a)ε=0.05;(b)ε= 0.3;(c)ε=0.8

圖4 TiAl合金在熱壓縮過程中動態再結晶演變示意圖Fig.4 Schematic diagrams of dynamic recrystallization for TiAl alloy deformed during hot compress

2.2 流動應力模型的構建

(1)

在低流動應力條件下，式(1)可以用下式表示：

(2)

(3)

圖5 TiAl合金在不同溫度下流動應力與應變速率的關系圖Fig.5 Relationship between flow stress and strain rate underdifferent temperatures

圖6 TiAl合金在不同應變速率下流動應力與溫度的關系圖Fig.6 Relationship between flow stress and temperature underdifferent strain rates

為了構建合金的流動應力模型，將式(2)用式(4)表達。

lnσ=A+BlnZ

(4)

變形量ε是材料在塑性變形過程中不可忽略的變量，該參數決定了材料最終的組織及力學性能。大量研究均表明，在流動應力模型中引入塑性應變量一項可更好的反應實際變形情況，而目前已有的關于TiAl合金流動應力模型的研究大多未考慮變形量這一參數。為此，本研究將變形量這一參量引入方程用于描述TiAl合金流動應力的變化情況，并提出采用如下公式來表達：

A=a1+a2ε+a3ε2+a4ε3+a5ε4+a6ε5

(5)

B=b1+b2ε+b3ε2+b4ε3+b5ε4+b6ε5

(6)

基于實驗數據，采用最小二乘法對方程(5)和方程(6)中的參數進行擬合，求得：

a1=-1 439.1 a2=-798.6 a3=5 332.4

a4=-4 420.8 a5=-2 767.6 a6=3 672.7

b1=62.3 b2=30.2 b3=-274.0

b4=383.3 b5=-149.1 b6=-30.1

采用所構建的本構方程繪制了TiAl合金在應變速率分別為0.001、1 s-1時的流動應力-應變曲線，如圖7所示。經計算，流動應力計算值與實測值的誤差小于±5%，因此采用本研究建立的流動應力模型計算的流動應力結果與實測值具有較好的一致性。本研究建立的流動應力模型能夠較好的描述TiAl合金的高溫流變行為，可用于預測TiAl合金在不同變形溫度、不同變形速度、不同變形量條件下的流動應力，可為TiAl合金的擠壓、鍛造、軋制過程提供重要參考。

圖7 計算流動應力與實測流動應力對比圖Fig.7 Comparison between calculated and measured curves at

3 結 論

(1)TiAl合金的流變行為對變形參數較為敏感，隨著熱加工溫度的升高和熱加工速率的降低，合金的流動應力逐漸降低。

(2)為了減小熱加工過程中的變形抗力，TiAl合金適于在較低的變形速率或較高的變形溫度條件下進行熱加工。

(3)在TiAl合金熱加工過程中，實現錠坯內應變的均勻分布有利于獲得均勻的變形組織及性能。

(4)通過將變形的應變量引入本構方程，所構建的流動應力模型可以較好的描述TiAl合金的熱變形行為。