Ti?6Mo?5V?3Al?2Fe?2Zr合金熱變形行為及熱加工圖

武小茜，趙洪川，岳婷婷，沈儒風，周舸，張浩宇

Ti?6Mo?5V?3Al?2Fe?2Zr合金熱變形行為及熱加工圖

武小茜，趙洪川，岳婷婷，沈儒風，周舸，張浩宇

（沈陽工業(yè)大學 材料科學與工程學院，沈陽 110870）

鈦合金；熱變形；流變應力；本構(gòu)方程；熱加工圖

我國陸上油氣田開采大多屬于深井、超深井或水平井開采，鉆采困難，鉆探設備使役環(huán)境惡劣，這對承載鉆頭的鉆桿材料性能提出了很高要求[1]。相比于傳統(tǒng)不銹鋼材料，近β鈦合金具有比強度高、抗腐蝕優(yōu)異及彈性模量低等特征[2-5]，其在油氣田鉆桿上的應用得到了快速增長。近β鈦合金工件大都需要經(jīng)過熱變形來成形，在熱加工過程中將發(fā)生動態(tài)回復或動態(tài)再結(jié)晶等，繼而對合金的顯微組織產(chǎn)生巨大影響。特別是決定了β晶粒尺寸的大小，且β晶粒在后續(xù)熱處理過程中難以再次被細化，因而對近β鈦合金熱變形行為的研究非常必要。熱變形本構(gòu)方程及熱加工圖是研究合金熱變形行為的重要手段[6-7]。夏麒帆等[8]研究了在不同變形條件下TC4鈦合金的熱變形行為，建立了合金的本構(gòu)方程，并構(gòu)建了熱加工圖。王曉康等[9]對TC17鈦合金進行了熱變形過程中本構(gòu)方程和熱加工圖的建立，準確描述了TC17在高溫變形時的穩(wěn)態(tài)區(qū)及非穩(wěn)態(tài)區(qū)。Vinjamuri等[10]研究了Ti?6Al?4V合金在高溫下壓縮變形過程中的微觀結(jié)構(gòu)與力學性能。肖寒等[11]采用Arrhenius方程建立了鑄態(tài)TC4鈦合金熱變形的流變應力方程，并能較好地預測不同變形條件所對應的流變應力。Aneta[12]用熱加工圖系統(tǒng)研究了Ti?3Al?8V?6Cr?4Zr?4Mo合金，使用動態(tài)方法建立了熱加工圖材料模型（Dynamic Material Model，DMM），以準確描述穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)區(qū)域合金的高溫變形行為，發(fā)現(xiàn)不同的亞穩(wěn)態(tài)β合金在不同變形條件下表現(xiàn)出不同的熱變形行為。可見，通過建立本構(gòu)方程、構(gòu)建熱加工圖，可為調(diào)控熱變形工藝參數(shù)提供依據(jù)與參考。

Ti?6Mo?5V?3Al?2Fe?2Zr合金是一種新型的近β鈦合金，該合金經(jīng)過固溶、時效等熱處理工藝后，抗拉強度可達1 400 MPa以上，但此時的斷后伸長率僅有4%[13]。造成其塑性較差的主要原因是在熱處理前的熱變形過程中加工參數(shù)選擇不佳，導致β晶粒異常生長。這種強塑性的嚴重不匹配限制了該合金的進一步應用。為此，基于不同熱變形工藝參數(shù)下熱壓縮實驗獲得的真應力–應變曲線，建立合金的熱變形本構(gòu)方程，計算熱變形激活能，構(gòu)建該合金的熱加工圖，對合金熱變形機制及流變失穩(wěn)區(qū)進行分析，以期為該合金在實際生產(chǎn)過程中熱加工工藝參數(shù)的制定提供參考。

1 實驗方法

實驗所用材料為近β鈦合金Ti?6Mo?5V?3Al? 2Fe?2Zr（質(zhì)量分數(shù)，下同）。利用線切割于合金鑄錠上切取尺寸為10 mm×15 mm的圓柱形試樣，用砂紙將表面打磨至光亮，以去除氧化皮與加工痕跡。熱壓縮實驗采用Gleeble?3800型熱模擬試驗機。在實驗過程中，將熱電偶與試樣表面相連以實時反饋熱壓縮過程中試樣的溫度。采用真空感應方式對試樣進行加熱，升溫速率為10 ℃/s，保溫時間為5～10 min。為保留熱壓縮完成時的高溫組織，將熱壓縮后的試樣立即水淬。具體參數(shù)變形溫度為700、750、800、850 ℃，應變速率為0.000 5、0.005、0.05、0.5 s?1，真應變量為0.7。將實驗結(jié)果利用Origin軟件分析以獲得真應力–應變曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 真應力?應變曲線

通過熱壓縮實驗所獲得的Ti?6Moc5V?3Al?2Fe? 2Zr合金在不同應變速率和不同溫度下的真應力–應變曲線見圖1。可見，在溫度一定時，隨著應變速率升高，流變應力逐漸增大。而當應變速率一定時，隨著溫度升高，流變應力呈減小趨勢。這是由于當應變速率升高時，位錯密度增加，易產(chǎn)生位錯纏結(jié)，使交互作用增強、運動阻力增大，從而使外加應力增大[14]。在高溫下，材料的軟化機制主要為動態(tài)回復和動態(tài)再結(jié)晶，加工硬化效應隨之減弱。同時，原子熱振動幅度隨著溫度的升高而提高，原子間的結(jié)合力降低，位錯運動加強，可開動滑移系增多，進而出現(xiàn)流變應力降低的現(xiàn)象[15]。

在變形初期，真應力增長較快，且曲線斜率較大。在初始壓縮時形變強化占主導，位錯密度和位錯塞積增加，流變應力迅速增大。在達到峰值應力后，流變應力變化則趨于穩(wěn)定，曲線由彎曲逐漸平坦化。隨著應變的連續(xù)增加，動態(tài)軟化對合金變形加劇影響，在圖1中表現(xiàn)為曲線下降，即流變應力逐漸降低，直至加工硬化與軟化作用相互抵消，達到動態(tài)平衡，曲線則趨于平穩(wěn)，斜率幾乎不再變化[16-17]。

在0.5 s?1的高應變速率下均有明顯的峰值應力，之后迅速軟化，流變應力降低到一定水平后，應力又隨應變增加有不同程度的升高。這說明不同階段的動態(tài)再結(jié)晶過程存在一定的差異[18]。但在小于0.5 s?1的較低應變速率下沒有明顯的峰值應力。這主要是由于相對于高應變速率，在低應變速率下的變形時間較長，試樣有充分的時間進行動態(tài)再結(jié)晶[19]。

2.2 熱變形流變應力本構(gòu)方程

在金屬材料發(fā)生高溫塑性變形時，金屬原子發(fā)生劇烈運動，可以視為熱激活的過程[20]。由圖1可知，隨應變量增加，真應力在快速增長后趨于平穩(wěn)或緩慢變化，表現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)流變的特征。可用Arrhenius方程表示合金在不同工藝條件下的熱變形行為[19,21]，見式（1）—（3）。

對式（1）—（3）兩邊取對數(shù)可得式（4）—（5）。

對式（6）求偏導可得式（7）。

為了描述金屬高溫流變應力，Zener和Hollomon[22]定義了Zener–Hollomon函數(shù)，見式（8），其函數(shù)關系用符號表示。同時，也遵循關系式（9）[23]，聯(lián)立式（8）—（9），取對數(shù)得式(10)。

采用Arrhenius雙曲正弦方程描述Ti?6Mo?5V? 3Al?2Fe?2Zr合金的變形行為，可得其本構(gòu)方程見式（11）。

Ti?6Mo?5V?3Al?2Fe?2Zr合金作為一種近β鈦合金，計算所得的熱變形激活能=226.29 kJ/mol，大于純β鈦的自擴散激活能161 kJ/mol。該結(jié)果表明，動態(tài)再結(jié)晶（DRX）為其主要的軟化機制[24]。

2.3 流動應力模型驗證

為證明所得本構(gòu)方程的合理性，驗證其是否能準確反映出該合金的熱變形行為，將式（9）整理成關于應力的函數(shù)，見式（12）。

圖2 流變應力與不同熱變形參數(shù)的關系

圖3 線性擬合關系

代入各參數(shù)數(shù)據(jù)得式（13）。

將相應的值代入式（13）可求得對應條件下的峰值應力。將峰值應力的計算值與實驗值進行對比，用誤差相關系數(shù)（）與平均相對誤差（AARE）表示誤差，見式（14）—（15）。

利用本構(gòu)方程所求應力值與實際值的對比圖見圖4。計算值與實際值之間的誤差相關系數(shù)=0.990 6，向式（15）代入相應數(shù)據(jù)可得AARE=4.21%，這說明建立的本構(gòu)方程準確性較高，能夠較好地描述Ti?6Mo?5V?3Al?2Fe?2Zr合金的熱變形行為。

2.4 熱加工圖

Prasad等[25]提出了動態(tài)材料模型（DMM），將塑性變形過程視為一個能量耗散系統(tǒng)，描述了外應力做功產(chǎn)生的能量如何通過材料塑性變形進行耗散。在特定應變率下，材料吸收塑性變形所用的能量（）主要包括兩部分，一是材料變形過程的結(jié)構(gòu)變化所耗散的能量（），二是材料塑性變形過程所消耗的能量（）。其關系見式（16）。

圖4 流變應力計算值誤差分析

材料的流變特性決定了和之間的分布，二者比值為應變速率敏感指數(shù)，見式（17）。

為排除流變失穩(wěn)區(qū)中出現(xiàn)高值的情況，Prasad基于Ziegler的最大熵產(chǎn)生率原理提出了流變失穩(wěn)判據(jù)，見式（19）。當為負值時，則表示晶體內(nèi)部出現(xiàn)失穩(wěn)[26]。

在圖5c中，等高線數(shù)值為材料加工過程中的能量耗散系數(shù)，其值越大，越容易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，則加工性能越好。圖5中灰色區(qū)域為流變失穩(wěn)區(qū)，合金若在此區(qū)域加工則存在失穩(wěn)的可能[27]，宏觀表現(xiàn)為試樣開裂。由圖5c可知，Ti?6Mo?5V?3Al?2Fe-2Zr合金主要有2個流變失穩(wěn)區(qū)，分別位于溫度700～755 ℃與784～850 ℃、應變速率0.5～0.05 s?1的范圍內(nèi)，材料在該區(qū)域的變形過程中易產(chǎn)生絕熱剪切帶和微裂紋等缺陷。隨著溫度升高、應變速率減小，值增大。的最大值為48%，主要集中在溫度836～850 ℃、應變速率0.000 5～0.005 s?1的區(qū)域，說明此區(qū)域為最佳加工區(qū)；溫度700～836 ℃、應變速率0.000 5～0.005 s?1的區(qū)域雖然功率耗散系數(shù)略低，但不存在失穩(wěn)區(qū)，也可作為安全加工區(qū)域。

可見，基于Prasad失穩(wěn)準則Ti?6Mo?5V?3Al? 2Fe?2Zr合金的最佳加工工藝參數(shù)為變形溫度836～850 ℃、應變速率為0.000 5～0.005 s?1，加工時應避開變形溫度700～755 ℃與784～850 ℃、應變速率為0.5～0.05 s?1。

圖5 Ti?6Mo?5V?3Al?2Fe?2Zr合金加工圖

3 結(jié)語

1）在變形溫度700～850 ℃、應變速率0.000 5～ 0.5 s?1、真應變0.7的條件下，Ti?6Mo?5V?3Al?2Fe?2Zr合金的熱激活能為226.29 kJ/mol；當變形溫度恒定時，應力隨著應變速率的增加而逐漸增大；當應變速率恒定時，應力隨溫度的升高而逐漸降低。

3）該合金的熱加工圖主要存在2個流變失穩(wěn)區(qū)，其范圍為變形溫度700～755 ℃與784～850 ℃、應變速率0.5～0.05 s?1，加工時應避開此范圍。最佳熱加工工藝參數(shù)為變形溫度836～850 ℃、應變速率為0.000 5～ 0.005 s?1。

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Thermal Deformation Behavior and Processing Map of Ti-6Mo-5V-3Al-2Fe-2Zr Alloy

WU Xiao-xi, ZHAO Hong-chuan, YUE Ting-ting, SHEN Ru-feng, ZHOU Ge, ZHANG Hao-yu

(School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

titanium alloy; thermal deformation; flow stress; constitutive equation; thermal processing map

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.01.005

TG146.2

A

1674-6457(2023)01-0034-07

2022–03–22

2022-03-22

國家自然科學基金（52104379）；遼寧省“揭榜掛帥”科技攻關（2021JH1/10400069）；遼寧省大學生創(chuàng)新訓練計劃（S202110142013）

National Natural Science Foundation of China (52104379); Technological Tacking Project of Liaoning Province (2021JH1/ 10400069); Innovative Training Program for College students in Liaoning Province (S202110142013)

武小茜（2001—），女，本科生，主要研究方向為金屬材料工程。

WU Xiao-xi (2001-), Female, Undergraduate, Research focus: metal materials engineering.

張浩宇（1987—），男，博士，副教授，主要研究方向為高性能鈦合金設計及變形工藝。

ZHANG Hao-yu (1987-), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: design and deformation process of high performance titanium alloy.

武小茜, 趙洪川, 岳婷婷, 等. Ti?6Mo?5V?3Al?2Fe?2Zr合金熱變形行為及熱加工圖[J]. 精密成形工程, 2023, 15(1): 34-40.

WU Xiao-xi, ZHAO Hong-chuan, YUE Ting-ting, et al. Thermal Deformation Behavior and Processing Map of Ti-6Mo-5V-3Al- 2Fe-2Zr Alloy [J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(1): 34-40.