TC1鈦合金板材熱加工性能研究

朱麗，孔融，吳偉平，陳新華，何曉健，孟寶

應(yīng)用技術(shù)

TC1鈦合金板材熱加工性能研究

朱麗1，孔融2，吳偉平1，陳新華1，何曉健1，孟寶2

（1. 沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司工藝研究所，沈陽(yáng) 110850；2. 北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

研究新一代飛機(jī)用TC1鈦合金板材在不同溫度和應(yīng)變速率下的熱塑性變形行為，進(jìn)行熱變形本構(gòu)建模，構(gòu)建熱加工圖。在Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上開(kāi)展TC1鈦合金板材在溫度為500～650 ℃、應(yīng)變速率為0.01～0.000 1 s?1條件下的等溫恒應(yīng)變速率單向拉伸試驗(yàn)，利用應(yīng)變補(bǔ)償?shù)碾p曲正弦模型進(jìn)行熱變形本構(gòu)擬合，繪制熱加工圖。在同一溫度下，TC1鈦合金的流動(dòng)應(yīng)力隨應(yīng)變速率的減小而降低，但伸長(zhǎng)率增加，最大斷裂應(yīng)變?cè)龃?；變形溫度?00 ℃時(shí)，加工硬化占據(jù)主導(dǎo)地位，隨著溫度升高至550、600、650 ℃，硬化階段變短，應(yīng)力達(dá)到峰值后很快下降，發(fā)生軟化，此時(shí)熱軟化占主要地位。建立的應(yīng)變補(bǔ)償?shù)碾p曲正弦本構(gòu)模型能夠有效描述TC1鈦合金板材在不同溫度和應(yīng)變速率條件下的熱塑性變形行為；根據(jù)建立的TC1鈦合金板材熱加工圖，可以確定其熱加工工藝窗口為600～650 ℃、0.000 1～0.001 s?1，為T(mén)C1鈦合金板的熱加工提供科學(xué)指導(dǎo)。

TC1鈦合金板材；熱塑性變形；本構(gòu)模型；熱加工圖

TC1鈦合金是一種低合金化的α+β兩相鈦合金，具有中等強(qiáng)度和良好的焊接性能，常用作飛機(jī)蒙皮和進(jìn)氣道材料，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于鈦合金常溫塑性差、變形抗力大，目前鈦合金的加工多以熱成形為主，研究鈦合金的熱塑性變形對(duì)改進(jìn)實(shí)際成形工藝具有重要的指導(dǎo)意義。

本構(gòu)模型是描述材料流變行為與熱力參數(shù)之間關(guān)系的函數(shù)，其精確程度直接影響工藝設(shè)計(jì)計(jì)算和有限元仿真的準(zhǔn)確性。劉少飛等[1]介紹了金屬和合金高溫變形本構(gòu)模型的研究進(jìn)展，包括高溫變形試驗(yàn)方法和常用本構(gòu)模型，其中典型唯象型本構(gòu)模型包括Arrhenius型本構(gòu)模型、Jonnson-Cook模型等。1969年Sellars等[2]提出了雙曲正弦型本構(gòu)模型，用以描述金屬的熱變形行為。Tan等[3]采用應(yīng)變補(bǔ)償?shù)腁rrhenius型本構(gòu)方程預(yù)測(cè)了Inconel718高溫合金的流動(dòng)行為。Chen等[4]利用Johnson-Cook（J-C）模型及其修改形式和應(yīng)變補(bǔ)償?shù)碾p曲正弦模型預(yù)測(cè)了超臨界鋼的高溫流變行為。戴俊等[5]研究了TC21鈦合金的熱塑性變形行為，提出了TC21鈦合金的本構(gòu)方程。陳燦等[6]研究了TA32新型鈦合金的高溫流變行為及本構(gòu)模型，發(fā)現(xiàn)采用正則化方法修正的Arrhenius模型精度高于最小二乘法得到的結(jié)果。許多研究人員[7-12]利用Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同牌號(hào)鈦合金進(jìn)行了熱模擬壓縮試驗(yàn)，獲得了相應(yīng)的高溫應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并建立了Arrhenius型本構(gòu)方程。馮瑞等[13]利用Gleeble-3500試驗(yàn)機(jī)研究了BT25鈦合金的熱變形行為，并分別建立了α+β兩相區(qū)和β單相區(qū)的基于應(yīng)變補(bǔ)償?shù)腁rrhenius本構(gòu)模型，同時(shí)構(gòu)建了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的本構(gòu)關(guān)系模型，經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的本構(gòu)模型具有更高的精度。Arrhenius本構(gòu)方程屬于唯象型本構(gòu)方程，其計(jì)算過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，適合在不需要考慮材料物理基演變的情況下快速建立材料本構(gòu)模型以指導(dǎo)工藝設(shè)計(jì)與有限元仿真；同時(shí)Arrhenius方程本身適合描述材料的穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力階段，可以根據(jù)情況進(jìn)行應(yīng)變補(bǔ)償和進(jìn)一步修正，提高本構(gòu)模型的預(yù)測(cè)精度。

針對(duì)新一代飛機(jī)用鈦合金高性能板材在不同溫度、應(yīng)變速率下的性能存在數(shù)據(jù)缺乏、塑性變形規(guī)律不明以及本構(gòu)模型準(zhǔn)確性差等問(wèn)題，文中利用Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展了TC1鈦合金板材在不同溫度、應(yīng)變速率下的高溫拉伸試驗(yàn)，求解材料的模型參數(shù)，構(gòu)建熱加工圖，為豐富材料數(shù)據(jù)庫(kù)、提高預(yù)測(cè)精度、縮短研發(fā)周期、開(kāi)展關(guān)鍵零件仿真優(yōu)化提供理論支撐與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 材料與設(shè)備

使用材料為1 mm厚的TC1鈦合金板材。高溫力學(xué)性能測(cè)試儀器是美國(guó)DSI公司生產(chǎn)的Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)。

1.2 方法與過(guò)程

高溫單向拉伸試驗(yàn)是測(cè)定材料高溫力學(xué)性能最常用的試驗(yàn)方法之一。高溫單向拉伸試驗(yàn)所得到的材料強(qiáng)度和塑性性能數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)計(jì)和選材、新材料的研制、材料的采購(gòu)和驗(yàn)收、產(chǎn)品的質(zhì)量控制、設(shè)備的安全和評(píng)估，都具有重要的應(yīng)用和參考價(jià)值。按照GB/T 228.2—2015《金屬材料拉伸試驗(yàn)第2部分：高溫試驗(yàn)方法》[14]的技術(shù)要求，將來(lái)料沿0°方向加工成圖1所示的形狀及尺寸進(jìn)行試驗(yàn)。基于鈦合金熱成形工藝需求，TC1拉伸試驗(yàn)的溫度為500～650 ℃，間隔為50 ℃。

在試驗(yàn)開(kāi)始前，首先清潔試件，將熱電偶焊接在試件標(biāo)距段上以便對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控，然后裝夾試件，將試驗(yàn)環(huán)境抽真空，加熱到試驗(yàn)溫度后保溫5 min，使試件溫度分布均勻，試件加熱之后會(huì)發(fā)生熱膨脹變形，此時(shí)需要調(diào)整夾具的位置以消除熱膨脹使試件在長(zhǎng)度方向上發(fā)生的變形，然后按照設(shè)定的應(yīng)變速率（0.01、0.001、0.000 1 s?1）開(kāi)始拉伸直至試件斷裂停止，熱電偶在試件斷裂時(shí)刻附近脫落，當(dāng)熱電偶脫落時(shí)數(shù)據(jù)采集終止，導(dǎo)出試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 高溫單拉試件尺寸

2 結(jié)果與分析

2.1 TC1鈦合金板材熱變形行為研究

TC1鈦合金高溫單拉流動(dòng)應(yīng)力曲線如圖2所示?？梢?jiàn)，在相同溫度下，流動(dòng)應(yīng)力隨應(yīng)變速率的下降而下降，最大斷裂應(yīng)變隨應(yīng)變速率的下降而增大。從金屬的物理角度來(lái)看，應(yīng)變速率增加，變形抗力增加，而且隨溫度升高這種影響更加顯著。在溫度為500 ℃、應(yīng)變速率為0.01 s?1和0.001 s?1的條件下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出較長(zhǎng)的硬化階段，應(yīng)力達(dá)到峰值后很快下降，加工硬化占據(jù)主要地位。在500 ℃、0.000 1 s?1的變形條件下，試件發(fā)生屈服后應(yīng)力較快達(dá)到峰值，在較短時(shí)間內(nèi)保持不變，然后緩慢下降，出現(xiàn)了熱軟化的特征。在變形溫度為550、600、650 ℃時(shí)，試件在屈服后流動(dòng)應(yīng)力很快達(dá)到峰值，進(jìn)入明顯的平衡應(yīng)力階段。隨著應(yīng)變?cè)龃螅嗤瑴囟炔煌瑧?yīng)變速率條件下應(yīng)力差距比較規(guī)律，表明熱軟化占據(jù)主要地位，其中存在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象。

圖2 TC1鈦合金高溫單拉流動(dòng)應(yīng)力曲線

TC1鈦合金高溫基礎(chǔ)力學(xué)性能參數(shù)如圖3所示?？梢钥闯?，TC1屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均隨著溫度升高和應(yīng)變速率降低而減小，存在熱軟化和應(yīng)變速率強(qiáng)化現(xiàn)象。結(jié)合圖2和圖3可以看出，500 ℃時(shí)流動(dòng)應(yīng)力存在較為明顯的硬化階段，屈服過(guò)后發(fā)生一定應(yīng)變后才達(dá)到最大應(yīng)力，穩(wěn)態(tài)應(yīng)力階段較短。溫度上升后硬化階段變短，很快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)應(yīng)力階段甚至發(fā)生軟化，應(yīng)力下降。此外，TC1鈦合金的伸長(zhǎng)率隨變形溫度的上升而升高。

圖3 TC1鈦合金高溫基礎(chǔ)力學(xué)性能參數(shù)

2.2 熱變形本構(gòu)方程

文中采用應(yīng)變補(bǔ)償?shù)腁rrhenius雙曲正弦本構(gòu)方程描述鈦合金熱變形行為：

以應(yīng)變0.08為例，對(duì)材料常數(shù)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)低應(yīng)力水平和高應(yīng)力水平公式兩邊分別取自然對(duì)數(shù)：

當(dāng)溫度T一定時(shí)，和均呈線性關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行線性擬合，如圖4所示。

對(duì)4條擬合直線斜率的倒數(shù)取平均值，得到1和的值。根據(jù)公式=1，求出的值。

對(duì)所有應(yīng)力水平下的方程兩邊取對(duì)數(shù)，可得：

對(duì)式（3）在一定的溫度下求偏微分，可以得到熱激活能的計(jì)算式為：

計(jì)算得出TC1熱變形激活能=373.05 kJ/mol。

圖5 和線性關(guān)系

Zener-Hollomon參數(shù)（參數(shù)）[15]定義見(jiàn)式（5）：

對(duì)式（5）兩邊取自然對(duì)數(shù)，可得：

根據(jù)擬合直線的斜率和截距可以計(jì)算出和的值，從而得到雙曲正弦函數(shù)本構(gòu)方程：

根據(jù)參數(shù)定義式變形得到：

雙曲正弦函數(shù)式可變形為：

代入?yún)?shù)可得參數(shù)表示的本構(gòu)方程為：

表1 不同應(yīng)變下高溫本構(gòu)模型材料參數(shù)值

Tab.1 Material constants of high-temperature constitutive model under different strains

將各應(yīng)變下同一個(gè)參數(shù)按照五階多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，如圖7所示。

圖7 各參數(shù)應(yīng)變補(bǔ)償擬合

將應(yīng)變補(bǔ)償后的參數(shù)代入方程，可得雙曲正弦模型擬合的曲線如圖8所示?？梢钥闯?，隨著應(yīng)變的增大，計(jì)算曲線與試驗(yàn)曲線總體吻合程度較高；應(yīng)變較小情況下，由于不同條件下曲線形態(tài)不同（硬化為主和軟化為主），導(dǎo)致計(jì)算得到的預(yù)測(cè)曲線精度較差。

圖8 TC1應(yīng)變補(bǔ)償雙曲正弦型本構(gòu)計(jì)算曲線

2.3 熱加工圖

利用熱加工圖指導(dǎo)熱變形工藝參數(shù)的選擇，采用動(dòng)態(tài)材料模型（Dynamic Materials Model，DMM）理論[16]：熱變形過(guò)程中系統(tǒng)從外部環(huán)境吸收的總能量主要消耗在2個(gè)方面：① 材料塑性變形所耗散的能量（耗散量）；② 材料內(nèi)部微觀組織轉(zhuǎn)變所耗散的能量（耗散協(xié)量）。這一過(guò)程表達(dá)式為：

定義功率耗散系數(shù)見(jiàn)式（12）：

式中：為無(wú)量綱參數(shù)，反映材料由于微觀組織變化而消耗的能量與熱變形過(guò)程中消耗總能量的關(guān)系；為應(yīng)變速率敏感指數(shù)，計(jì)算式見(jiàn)式（13）：

DMM模型流變失穩(wěn)判據(jù)為：

圖9 TC1鈦合金在真實(shí)應(yīng)變?chǔ)?0.09時(shí)的熱加工圖

3 結(jié)論

1）TC1鈦合金在熱變形過(guò)程中的流動(dòng)應(yīng)力隨溫度升高而降低，隨應(yīng)變速率減小而降低，且隨著溫度的升高和應(yīng)變速率的降低，流動(dòng)行為由硬化為主轉(zhuǎn)變?yōu)闊彳浕癁橹鳌?/p>

2）TC1鈦合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度也隨變形溫度的升高和應(yīng)變速率的減小而降低，伸長(zhǎng)率隨溫度升高而增大。

3）應(yīng)變補(bǔ)償?shù)碾p曲正弦本構(gòu)模型能夠有效描述TC1鈦合金板材在溫度為500～650 ℃和應(yīng)變速率為0.01～0.000 1 s?1條件下的熱塑性變形行為。

4）根據(jù)熱加工圖，TC1鈦合金在真實(shí)應(yīng)變=0.09條件下的熱加工工藝窗口為600～650 ℃、0.000 1～ 0.001 s?1，屬于高溫低應(yīng)變速率區(qū)域，加工失穩(wěn)區(qū)域主要集中在低溫高應(yīng)變速率區(qū)域。

[1] 劉少飛, 屈銀虎, 王崇樓, 等. 金屬和合金高溫變形過(guò)程本構(gòu)模型的研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2018, 32(13): 2241-2251.

LIU Shao-fei, QU Yin-hu, WANG Chong-lou, et al. Advances in Constitutive Models of Metals and Alloys during Hot Deformation[J]. Materials Review, 2018, 32(13): 2241-2251.

[2] SELLARS C M, MCTEGART W J. On the Mechanism of Hot Deformation[J]. Acta Metallurgica, 1966, 14(9): 1136-1138.

[3] TAN Yuan-biao, MA Yan-hong, ZHAO Fei. Hot Deformation Behavior and Constitutive Modeling of Fine-Grained Inconel 718 Superalloy[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2018, 741: 85-96.

[4] CHEN Fei, GU Hai-lun, ZHU Hua-jia, et al. A Comparative Study on Constitutive Modeling for Flow Behavior of Ultra-Supercritical Steel at High Temperature[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2019, 28(12): 7475-7492.

[5] 戴俊, 李鑫, 魯世強(qiáng), 等. TC21鈦合金高溫變形本構(gòu)方程研究[J]. 精密成形工程, 2014, 6(6): 116-121.

DAI Jun, LI Xin, LU Shi-qiang, et al. Constitutive Equation of Titanium Alloy TC21 Deformation at High Temperature[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2014, 6(6): 116-121.

[6] 陳燦, 陳明和, 謝蘭生, 等. TA32新型鈦合金高溫流變行為及本構(gòu)模型研究[J]. 稀有金屬材料與工程, 2019, 48(3): 827-834.

CHEN Can, CHEN Ming-he, XIE Lan-sheng, et al. Flow Behavior of TA32 Titanium Alloy at High Temperature and Its Constitutive Model[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2019, 48(3): 827-834.

[7] 朱鴻昌, 羅軍明, 朱知壽. TB17鈦合金高溫壓縮變形行為[J]. 航空材料學(xué)報(bào), 2019, 39(3): 44-52.

ZHU Hong-chang, LUO Jun-ming, ZHU Zhi-shou. High Temperature Compression Deformation Behavior of TB17 Titanium Alloy[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2019, 39(3): 44-52.

[8] 孫二舉, 邱勝聞, 許飛凡, 等. TA22鈦合金高溫變形行為及本構(gòu)關(guān)系[J]. 材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用, 2020, 35(4): 6-10.

SUN Er-ju, QIU Sheng-wen, XU Fei-fan, et al. High Temperature Deformation Behavior and Constitutive Equations of TA22 Titanium Alloy[J]. Development and Application of Materials, 2020, 35(4): 6-10.

[9] 謝鑫, 孫前江, 彭嘉豪, 等. TC21鈦合金熱變形行為[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2020, 30(9): 2048-2058.

XIE Xin, SUN Qian-jiang, PENG Jia-hao, et al. Thermal Deformation Behavior of TC21 Titanium Alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2020, 30(9): 2048-2058.

[10] 李沐澤, 柏春光, 張志強(qiáng), 等. TC2鈦合金的高溫?zé)嶙冃涡袨閇J]. 材料研究學(xué)報(bào), 2020, 34(12): 892-904.

LI Mu-ze, BAI Chun-guang, ZHANG Zhi-qiang, et al. Hot Deformation Behavior of TC2 Titanium Alloy[J]. Chinese Journal of Materials Research, 2020, 34(12): 892-904.

[11] 劉建軍, 王克魯, 魯世強(qiáng), 等. Ti-25Nb合金的熱變形行為及本構(gòu)關(guān)系模型[J]. 塑性工程學(xué)報(bào), 2020, 27(6): 148-154.

LIU Jian-jun, WANG Ke-lu, LU Shi-qiang, et al. Hot Deformation Behavior and Constitutive Relation Model of Ti-25Nb Alloy[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2020, 27(6): 148-154.

[12] 雷雨, 徐念澳, 張晨潔, 等. 熱變形中TC18鈦合金本構(gòu)關(guān)系及第二類再結(jié)晶全圖研究[J]. 稀有金屬材料與工程, 2020, 49(12): 4192-4198.

LEI Yu, XU Nian-ao, ZHANG Chen-jie, et al. Constitutive Relation and Secondary Recrystallization Maps of the TC18 Titanium Alloy during Hot Deformation[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2020, 49(12): 4192-4198.

[13] 馮瑞, 王克魯, 魯世強(qiáng), 等. 基于應(yīng)變補(bǔ)償和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的BT25鈦合金本構(gòu)關(guān)系研究[J]. 塑性工程學(xué)報(bào), 2020, 27(12): 183-190.

FENG Rui, WANG Ke-lu, LU Shi-qiang, et al. Constitutive Relationship Research on BT25 Titanium Alloy Based on Strain Compensation and BP Neural Network[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2020, 27(12): 183-190.

[14] GB/T 228.2—2015, 金屬材料拉伸試驗(yàn)第2部分: 高溫試驗(yàn)方法[S].

GB/T 228.2—2015, Metallic Materials-Tensile Testing-Part 2: Method of Test at Elevated Temperature[S].

[15] ZENER C, HOLLOMON J H. Effect of Strain Rate upon Plastic Flow of Steel[J]. Journal of Applied Physics, 1944, 15(1): 22-32.

[16] 周麗, 李明, 王全兆, 等. 31%B4Cp/6061Al復(fù)合材料的熱變形及加工圖的研究[J]. 金屬學(xué)報(bào), 2020, 56(8): 1155-1164.

ZHOU Li, LI Ming, WANG Quan-zhao, et al. Study of the Hot Deformation and Processing Map of 31%B4Cp/ 6061Al Composites[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2020, 56(8): 1155-1164.

Hot Workability of TC1 Titanium Alloy Sheet

ZHU Li1, KONG Rong2, WU Wei-ping1, CHEN Xin-hua1, HE Xiao-jian1, MENG Bao2

(1. Research Institution of Technology, Shenyang Aircraft Corporation, Shenyang 110850, China;2. School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China)

The work aims to study the thermoplastic deformation behavior of TC1 titanium alloy sheet for new generation aircraft at different temperature and strain rates, and establish the hot deformation constitutive model and hot working map. The isothermal uniaxial tensile test of constant strain rate was carried out on the TC1 titanium alloy sheet by Gleeble-3500 thermal simulator at temperature of 500～650 ℃ and strain rate of 0.01～0.000 1 s?1. The strain compensated hyperbolic sinusoidal model was used to fit the hot deformation constitutive model, and draw the hot working map. The flow stress of TC1 titanium alloy sheet decreased with the decrease of strain rate at the same temperature, but the elongation increased and the maximum breaking strain increased. When the deformation temperature was 500 ℃, the work hardening was dominant. With the increase of temperature to 550, 600 and 650 ℃, the hardening stage became shorter, and the stress reached the peak value and then dropped quickly, resulting in softening. At this time, hot softening was dominant.The established strain compensated hyperbolic sinusoidal model can effectively describe the thermoplastic deformation behavior of TC1 titanium alloy sheet at different temperature and strain rates. According to the established hot working map of TC1 titanium alloy sheet, the hot working process window can be determined as 600～650 ℃ and 0.000 1～0.001 s–1, which provides scientific guidance for the hot working of TC1 titanium alloy sheet.

TC1 titanium alloy sheet; thermoplastic deformation; constitutive model; hot working map

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.04.019

TG304

A

1674-6457(2022)04-0154-08

2021-08-02

國(guó)家自然科學(xué)基金（51975031）

朱麗（1982—），女，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹娇这k金制造。

孟寶（1985—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榫艹尚闻c微結(jié)構(gòu)制造技術(shù)。

責(zé)任編輯：蔣紅晨