TA15鈦合金厚板熱軋變形規律研究

檀 雯， 都海剛， 楊 軍， 楊 奇，張智鑫， 王永強， 歐笑笑

（寶鈦集團有限公司，陜西 寶雞 721014）

TA15鈦合金具有較高的抗蠕變性和高溫穩定性能，適用于500 ℃以下，主要用于制造飛機發動機扇葉、機匣及壓縮盤[1]。隨著航空航天系統對鈦合金厚板需求量的增大，迫切需要對厚板軋制工藝進行研究，以確保能持續提供高品質的厚板。然而，厚板軋制過程中常常存在軋不透、材料沿厚度方向變形量和溫度分布梯度大、變形不均勻等問題[2]。為了避免出現上述問題，需要對鈦合金厚板熱軋變形規律進行研究。本文采用熱力模擬和數字模擬相結合的技術，對TA15鈦合金的熱變形行為及厚板軋制工藝進行研究，為厚板生產工藝改進和產品質量提升提供理論指導。

1 試驗方案

本文試驗用原材料來自寶鈦集團有限公司生產的TA15厚板板坯，板坯頭部切取熱力模擬試樣（尺寸：10 mm×15 mm×20 mm，數量 50 個），在Gleeble-3800 熱力模擬試驗機上進行平面應變壓縮試驗（變形溫度：850，900，950，1 050 和 1 150 ℃；應變速率：0.01，0.10，1.00 和 10.00 s?1；總變形量：60%）。試樣以10 ℃·s?1的速率加熱到變形溫度，保溫300 s后進行等溫壓縮，變形后立即水淬，以保持高溫變形時的組織狀態，最終獲得TA15鈦合金的流變曲線；將TA15鈦合金流變曲線數據導入厚板軋制工藝有限元模型中，進行不同工藝參數（壓下量、軋制速度和軋制溫度）下應力、應變場的模擬計算，分析模擬結果并獲得TA15鈦合金厚板熱軋變形規律。

2 分析與討論

2.1 高溫恒應變速率下TA15鈦合金變形行為

圖1是試樣在不同變形溫度下的流變曲線。

圖1 不同變形溫度下的流變曲線Fig.1 Flow stress curves at different deformation temperatures

從圖1可以看出，隨著溫度的升高，流變應力急速下降并趨于平緩。說明該溫度范圍內發生了動態再結晶。隨溫度的升高，更多的 α 相轉變為β相。由于β相為體心立方結構，滑移系多，層錯能高，因此流變應力下降。在高于950 ℃時，溫度對流變應力的影響減弱，并且流變應力隨著應變增加變化不大。溫度在950～1 000 ℃內，流變應力曲線隨應變速率下降而更平坦。另外，變形溫度相同的情況下，應變速率越高，流變應力越大。這是由于應變速率的升高，位錯發生攀移引起軟化速率降低，同時由于應變速率的升高，變形量在單位時間內增加的越大，運動的位錯數目增多，這些過程與時間有關[3-6]。此外，動態回復隨應變速率的降低進行得越充分，因此也使得峰值應力降低。在同一變形溫度下，進入穩態是由于應變隨應變速率的降低而減小。應變速率相同的情況下，變形溫度越高，流變應力越低。由于溫度越高，軟化作用越明顯，抵消了加工硬化。隨著溫度的降低，進入穩態變形時對應的真應變值增大。應變速率越低，流變應力峰值越明顯，此種類型曲線顯示出明顯的動態再結晶特征[7～9]。應變速率越高，流變應力先快速上升，但上升逐漸減慢，峰值流變應力幾乎等于穩態流動時的應力，峰值應力不明顯。說明材料沒有發生明顯的動態再結晶，以發生動態回復為主。

2.2 高溫恒應變速率下TA15鈦合金變形顯微組織分析

圖2是1 000 ℃時試樣在不同應變速率下的組織。由圖2所示，應變速率為 0.01 s?1時晶粒發生回復和再結晶，晶粒尺寸減小；隨著應變速率增加，晶粒再結晶不充分的程度增加；應變速率為1.00和10.00 s?1時，晶粒主要是變形態組織。圖3是950 ℃時試樣在不同應變速率下的組織。由圖3可知，應變速率為0.01 s?1時晶粒發生回復和再結晶，晶粒尺寸細小，隨著應變速率增加，晶粒主要是變形態組織，變形主要集中在中間。

圖2 1 000 ℃時應變速率為0.01，0.10，1.00和10.00 s?1下的組織Fig.2 Microstructures at 1 000 ℃ under the strain rate of 0.01, 0.10, 1.00 and 10.00 s?1

2.3 TA15鈦合金厚板軋制工藝數值模擬

2.3.1 壓下量對板坯應力應變場的影響

道次壓下量的大小反映工件的變形程度。圖4和圖5是在不同壓下量下板坯等效應變云圖和不同壓下量下板坯等效應力云圖。由圖4和圖5可見，增大壓下量，應變值也隨之增加，平均增加0.04，心部至表面的應變值差異程度也隨壓下量的增加而減小，說明增大壓下量即變形程度增加，使更多的晶粒參與變形，變形滲透至心部，減小了變形的不均勻性。同時隨著壓下量的增加，變形程度增大，心部和表面的等效應力也隨之增大。壓下量為20 mm時，等效應力從表面至心部變化不大，說明變形比較均勻。

圖3 950 ℃時應變速率為0.01，0.10，1.00和10.00 s?1下的組織Fig.3 Microstructures at 950 ℃ under the strain rate of 0.01, 0.10, 1.00 and 10.00 s?1

圖4 不同壓下量下板坯等效應變云圖Fig. 4 Effective plastic strain distributions of the plate under different reductions

圖5 不同壓下量下板坯等效應力云圖Fig. 5 Effective stress distributions of the plate under different reductions

2.3.2 軋制溫度對板坯應力、應變場的影響

在熱軋過程中，板坯在產生變形的同時往往伴隨著溫度的改變，準確分析這些加工過程中的金屬變形問題時，必須考慮溫度場對變形的影響。因為除了溫度變化對板坯變形和材料性質產生影響外，板坯變形也會反過來影響溫度的變化[10]。不同軋制溫度下板坯等效應變云圖和等效應力云圖如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可看出：隨著軋制溫度的升高，等效應變的差值逐漸減小，表明工件內部的等效應變的不均勻性在減小，當軋制溫度由Tβ-50 ℃上升到Tβ-10 ℃時，等效應變的差值從0.187降至0.154。隨軋制溫度的升高，變形后的等效應力逐漸變小，最大等效應力由162 MPa降至78 MPa，表面和心部的等效應力差值也隨之減小：當軋制溫度為Tβ-50 ℃ 時，二者差值為 87 MPa；當軋制溫度為Tβ-30 ℃ 時，二者差值為31 MPa；當軋制溫度為Tβ-10 ℃時，二者差值為28 MPa。這是由于軋制溫度升高，提高了金屬的塑性和成形的能力，使板坯的變形抗力變小，更容易流動，位錯滑移更易于進行，坯料的變形更容易傳遞，晶粒及晶粒之間的變形所需的動力更小。

圖6 不同軋制溫度下板坯等效應變云圖Fig.6 Effective plastic strain distributions of the plate under different temperatures

圖7 不同軋制溫度下板坯等效應力云圖Fig.7 Effective stress distributions of the plate under different temperatures

2.3.3 軋制速度對板坯應力應變場的影響

軋制速度是影響變形速度的重要因素，也是軋制過程中控制的重要參量，影響著板坯的應力、應變場等。不同軋制速度下板坯等效應變云圖和等效應力云圖如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可看出：從板坯表面至心部的變形是逐漸減小的；表面的應變值最大，說明表面變形程度相比邊部、心部等其他部位都更大；但不同軋制速度下表面至心部的應變變化趨勢仍是逐漸減小的。軋制速度越快，表面至心部的應變差值越大，這是因為某些位向有利的晶粒優先發生變形，等到變形累積到一定程度才會驅動其他部位的晶粒發生變形，而軋制速度越快，板坯內部先發生變形的晶粒來不及將變形傳遞，因此造成了變形的不均勻性；變形速度越快，不均勻性越大。板坯應力集中在軋輥正下方且呈中心對稱的三角區域狀分布，軋制速度分別為 50，71，95 r·min?1時，最大應力值分別為 273，288，325 MPa，均發生在板坯表面，心部應力值最小，應力值相近，約為70 MPa。

2.3.4 板坯特征點的溫度場和應力應變場的歷史變化

圖8 不同軋制速度下板坯等效應變云圖Fig. 8 Effective plastic strain distributions of the plate under different values of rolling velocity

圖9 不同軋制速度下板坯等效應力云圖Fig. 9 Effective stress distributions of the plate under different values of rolling velocity

為了研究實際生產工藝下厚板板坯的溫度場、應力場和應變場在不同軋制階段的變化情況，以縱向截面上的特征點為研究對象（在厚板軋制方向上，以板坯1/2寬度取縱截面，從軋輥咬入坯料端為頭部、以300 mm為距離間隔，選取6個特征點），追蹤各特征點場量的歷史變化。

圖10至圖13依次是板坯縱截面溫度、等效應力、等效應變和等效應變速率變化曲線。由圖10至圖13可見：頭部和尾部溫度較低，尾部溫度要更低些，其余各處溫度均在960 ℃左右，軋制時各處均有溫升現象；隨著板坯被咬入軋輥，軋輥接觸板坯頭部開始變形，此時應變比穩定軋制階段的應變大，但當軋制尾部時等效應變為最大；同時板坯不同部位所受的等效應力排序為：頭部>1/4處>尾部>3/4處>1/3處>1/2處，板坯各處軋制過后應力逐漸下降，但仍留有一定的內應力，頭部的應力（殘余應力）偏大些；頭部和尾部等效應變速率最大，板坯長度1/3處的應變速率次之，板坯長度1/2處的應變速率最小。

圖10 板坯縱截面溫度曲線Fig.10 The temperature curves of the plate on the longitudinal cross-section

圖11 板坯縱截面等效應力曲線Fig.11 The equivalent stress curves of the plate on the longitudinal cross-section

圖12 板坯縱截面等效應變曲線Fig.12 The equivalent strain curves of the plate on the longitudinal cross-section

圖13 板坯縱截面等效應變速率曲線Fig.13 The equivalent strain rate curves of the plate on the longitudinal cross-section

3 結 論

（1）利用Gleeble-3800熱力模擬試驗機對TA15鈦合金進行高溫壓縮變形行為研究，獲得真實流變曲線，分析了變形溫度和應變速率對TA15鈦合金流變應力的影響趨勢和變形機制，為TA15鈦合金厚板板坯進行熱軋工藝數值模擬提供了真實數據和驗證依據。

（2）得出不同工藝參數（壓下量、軋制溫度、軋制速度）對TA15鈦合金板坯應力、應變場的影響規律：隨著壓下量增加，等效應力、等效應變亦隨之增大；壓下量為20 mm時，等效應力從表面至心部變化不大，說明變形比較均勻；隨著軋制溫度升高，板坯表面和心部的等效應力和等效應變差異逐漸減小，改善了變形的不均勻性；當軋制溫度為Tβ-10 ℃，表面和心部的等效應力差值最小；隨著軋制速度增加，板坯表面的等效應力、等效應變亦隨之增大且大于板坯心部的等效應力和等效應變，導致板坯變形的不均勻性加劇；軋制速度選取 50～71 r·min?1范圍內較好，板坯應力值較小。