TC18合金热压缩变形行为研究

刘 勇，陈 涛，朱景川，周 易，周 飞

(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，150001)

TC18钛合金是一种近β型钛合金，具有较高的强度和优良的塑性，室温屈服强度可达1 100 MPa，同时保持较高的伸长率，广泛应用于飞机起落架等航空结构件。关于TC18钛合金的组织、性能和热处理工艺方面等已经进行了广泛的研究［1-4］。关于TC18钛合金的热变形行为，是合金进行热加工的理论基础。但关于此的研究并没有深入进行。鉴于此，本文展开来TC18合金热压缩行为的研究。

1 试验材料和方法

本试验选用宝鸡钛业股份有限公司生产提供的Φ100mm的TC18钛合金棒材，热轧态。成分如表1所示。

表1 TC18钛合金成分 /%

采用GLEEBLE1500D型热模拟机进行热压缩试验。利用线切割加工出直径为8mm，长12mm的小圆柱，加工时注意保证圆柱两端面的平行度和圆度。试验前用砂纸对试样进行打磨，除掉线切割的痕迹并使表面光滑。根据TC18钛合金的相变点875℃，设计了32组热压缩实验。包含8个温度，每个温度下有4个应变速率。试验温度分别为:650℃，700℃，750℃，810℃，850℃，900℃，950℃，1 000℃;应变速率分别为:1s-1，0.1s-1，0.01s-1，0.001s-1。TC18钛合金的金相组织照片如图1所示。从图中可以看出，TC18钛合金金相组织主要由α+β两相组成，β相均匀分布在α相的基体上。

图1 TC18钛合金原始样金相

2 试验结果

2.1 TC18合金流变行为

图2所示为试验得到的双相区真应力-真应变曲线。可以看出，TC18合金对温度和应变速率非常敏感。650℃变形时，应变速率为0.001s-1时，开始阶段由于加工硬化占优势，流变应力呈现迅速上升的现象，而后由于再结晶和回复的作用使软化作用加强，流变曲线上出现峰值并进入稳态阶段。应变速度由1降到0.001s-1时，峰值流变应力由400MPa降低到低于100MPa。而在应变速率为1s-1时，变形温度由650℃提高到850℃，峰值流变应力由400MPa下降到200MPa。同时在较低温度和较高应变速率条件下流变曲线呈现典型的单一峰值的再结晶的特征。随变形温度的提高和变形速率的降低，加工硬化的趋势减弱，单一峰值的再结晶特征也不断减弱。在变形温度高于750℃时，流变曲线出现“抖动”的现象，出现多峰值的再结晶的特征。

试验得到的β单相区真应力-真应变曲线如图3所示。可以看出，TC18合金对温度和应变速率非常敏感性减弱。同时流变曲线出现了很长阶段的平缓阶段，而后在较大应变时出现了标志再结晶的峰值应力。这说明在β单相区热变形时先出现长阶段的回复，在回复的基础上大应变条件才导致了再结晶的产生。同时在应变速率为1S-1时，流变曲线出现的“抖动”现象，这是由于应变速率较高，加工变形导致的硬化和回复导致的软化现象交替出现而产生。

2.2 TC18钛合金热变形激活能的计算

目前在钛合金热变形特性的研究中，通常采用由Jonas提出的包含应变激活能Q和变形温度T的双曲线正弦形式的流变应力模型［5，6］，

式中˙ε——应变速率;

σ*——稳态流变时的峰值应力;

A1、β——相关常数;

Q——变形激活能;

R——气体常数;

T——热力学温度。

在650℃、700℃、750℃和800℃时，ln˙ε-σ*曲线拟合的相关系数为0.979、0.962、0.997、曲线的相关系数为0.999、0.996、0.987、0.965，拟合效果较好。两边取对数，进行多元线性回归，经过整理，可得在650℃-810℃的双相区，峰值流变应力的方程为:

计算得，应变激活能Q=336.356kJ/mol。

在β单相区，属于低应力水平，可以用下式描述:

σ*——稳态流变时的峰值应力;

A1——相关常数;

Q——变形激活能;

R——气体常数;

两边取对数，则有:

因此，在T不变时，ln˙ε-lnσ*应为直线关系;在应变速率不变时也应为直线关系。如图5所示。

图2 TC18钛合金热压缩真应力-真应变曲线

对峰值流变应力进行线性回归整理，可得在单相区的峰值流变应力本构方程为:

进一步处理可得:单相区的应变激活能为:Q=260.84kJ/mol，小于双相区的应变激活能Q=336.356kJ/mol。这是符合预期的。因为单相区主要是β相存在，β相是体心立方结构，易于变形，因此应变激活能要小。

2.3 TC18钛合金流变应力本构方程

根据不可逆热力学理论，变形抗力与加热温度、变形速率、变形量存在如下关系［5，6］:

两边取对数，可得:

图6给出了50、700、750和800℃不同温度下lnσ与曲线。

拟合结果表明，最小的关系系数也达到了0.95。结合以上数据，经过多元线性回归并整理后，可得TC18钛合金在650℃～810℃间的变形抗力方程为:

图3 TC18钛合金热压缩真应力-真应变曲线

图4 两相区变形本构方程拟合

图5 单相区流变应力拟合

图6 变形抗力拟合

关系系数R=0.958，达到较好的拟合效果。同双相区类似，可得单相区的变形抗力方程:

3 结语

(1)TC18钛合金在α+β双相区变形时，在较低温度和较高应变速率条件下流变曲线呈现典型的单一峰值的再结晶，并且随变形温度的提高，出现多峰值的再结晶的特征。

(2)TC18钛合金在β单相区变形时，流变曲线出现了很长阶段的平缓阶段，而后在较大应变时出现了标志再结晶的峰值应力，说明在β单相区热变形时先出现长阶段的回复，在回复的基础上大应变条件才导致了再结晶的产生。

(3)计算得到，TC18钛合金β单相区的变形激活能为:Q=260.84kJ/mol，α+β双相区的应变激活能Q=336.356kJ/mol。

(4)经过拟合，分别得到TC18钛合金在α+β双相区和β单相区变形的流变应力本构方程。

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