TC4-DT钛合金热变形机制及加工图

雷文光，韩 栋，张永强，毛小南，李金山，杨冠军

(1.西北工业大学 凝固技术国家重点实验室，陕西 西安 710072) (2.西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)

TC4-DT钛合金热变形机制及加工图

雷文光1,2，韩 栋2，张永强2，毛小南2，李金山1，杨冠军1

(1.西北工业大学 凝固技术国家重点实验室，陕西 西安 710072) (2.西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)

用Gleeble-1500型热模拟机研究TC4-DT钛合金在850～1 100 ℃、应变速率0.001～10 s-1、变形量70%条件下的高温压缩热变形行为，分析了该合金的流变应力行为以及显微组织演变规律，建立了该合金的本构关系模型以及热加工图。研究结果表明，TC4-DT钛合金在两相区和β相区的热变形激活能分别为544.03 kJ·mol-1和264.32 kJ·mol-1，分别大于纯α相和纯β相的自扩散激活能，表明TC4-DT钛合金热变形由高温扩散以外的过程控制。在两相区热变形时，原始组织发生了不同程度的球化，且变形温度越低球化效果越好。在β相区热变形时，低应变速率下(0.001～0.1 s-1)主要发生动态再结晶，而高应变速率(1～10 s-1)下主要发生动态回复，动态再结晶行为受到抑制。TC4-DT钛合金的失稳区主要分布在低温高应变速率区域，变形温度主要在850～940 ℃，应变速率主要在0.1～10 s-1，功率耗散率η值小于28%。

TC4-DT钛合金；热变形；本构关系；加工图

0 引 言

随着损伤容限设计准则在结构材料设计中的广泛应用，开发损伤容限型钛合金已成为各国钛合金研究重点[1-2]。TC4-DT钛合金作为我国自主研制的一种损伤容限型钛合金，在强度、塑性、断裂韧性和裂纹扩展速率方面具有较好的匹配，有望成为飞机用整体隔框、梁以及直升机用传动部件等关键承力构件[3-5]。

目前国内对TC4-DT钛合金的研究主要集中在损伤容限方面[6-8]，对其热变形行为的研究较少。因此，对变形温度、应变速率对TC4-DT钛合金流变应力及显微组织的影响规律开展了研究，建立该合金的热变形本构方程以及热加工图，分析其热变形特点与组织演变规律，从而确定该合金的热变形机制，为制定与优化TC4-DT钛合金热加工工艺提供一定的理论依据。

1 实 验

实验材料选用两相区轧制的25 mm厚TC4-DT钛合金成品板材，主要化学成分(质量分数)为：Al 5.95%，V 3.94%，Fe 0.05%，O 0.05%，其余为Ti。金相法测得其相变点为(957±5) ℃。

将试样加工成φ8 mm×12 mm的圆柱体，并在上下端面加工深度为0.2 mm的凹槽，用石墨作为润滑剂加入到凹槽中，减少压头与试样端面之间的摩擦。在Gleeble-1500型热模拟试验机上进行压缩试验。

将试样以20 ℃/s的恒定加热速度分别加热到850、900、950、1 000、1 050、1 100 ℃，保温5 min，使试样内部温度均匀，进行应变速率为0.001、0.01、0.1、1、10 s-1的等温、恒应变速率的热压缩变形，最大变形量为70%。整个过程由试验机自动采集压缩数据，并获得真应力-真应变曲线。通过公式推导计算获得TC4-DT钛合金的本构方程、功率耗散率以及失稳系数，再对功率耗散图及失稳图进行叠加从而获得热加工图。压缩完成后立即进行水淬以保留TC4-DT钛合金组织，并沿轴向将变形后的试样切开，利用OLYMPUS PMG3光学显微镜对变形后的组织进行观察，试样所用腐蚀剂配比为V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶2∶5。

2 结果与分析

2.1 TC4-DT钛合金真应力-真应变曲线

TC4-DT钛合金在不同温度和应变速率下的真应力-真应变曲线如图1所示。

图1 TC4-DT钛合金在不同温度下的真应力-真应变曲线Fig.1 True stress-true strain curves of TC4-DT titanium alloy at different temperatures

此外，流变应力随变形温度的增加而下降，随应变速率的增加而上升。同时，随着变形温度的降低，达到峰值应力所对应的应变逐渐增加，主要原因是随着变形温度的降低，合金的原子扩散能力减弱，容易发生硬化现象，使得峰值应力所对应的应变增加。

在金属材料的热变形过程中，伴随着加工硬化和软化机制交互发生作用，并最终达到平衡[9]。钛合金软化机制主要有动态回复和动态再结晶。当动态再结晶占主导地位时，合金中位错密度下降，合金发生明显软化，流变应力曲线出现较大幅度的下降趋势。

2.2 TC4-DT钛合金热变形本构方程

本研究拟建立TC4-DT钛合金的Arrhenius热变形本构方程，它有以下三种表达形式[10]。

低应力水平时：

(1)

高应力水平时：

(2)

适用于所有应力水平的双曲正弦形式：

(3)

当T为常数时，根据式(1)，(2)，(3)可得

(4)

(5)

(6)

对式(3)两边取对数得：

(7)

图2 TC4-DT钛合金峰值应力与应变速率及形变温度的关系Fig.2 Relationship of peak stress, strain rate and temperature of TC4-DT titanium alloy

(8)

(9)

绘制ln[sinh(ασp)]-1/T曲线，如图2d所示。其中在850～950 ℃温度区间，n=4.912，Q=544.03 kJ·mol-1，A=e54.53，热变形本构方程为：

(10)

在950～1 100 ℃温度区间，n=6.308，Q=264.32 kJ·mol-1，A=e28.85，热变形本构方程为：

(11)

图3为原始态及不同变形温度下TC4-DT钛合金

的显微组织。 由图3a可见，原始组织为沿轧制方向拉长的条状α组织，而在950 ℃以下，TC4-DT钛合金相变不明显，合金中仍以α相为主(见图3b～c)，α相基本为等轴状，热变形激活能Q为544.03 kJ·mol-1左右，远高于纯α相的自扩散激活能204 kJ·mol-1[11]，说明此条件下的热变形由高温扩散以外的过程控制，主要与热变形同时发生的相变行为有关。而当温度高于950 ℃时，合金中大量α相向β相转变，并且α相的形貌也发生变化，由等轴状变为片状，可以观察到β晶粒发生了动态再结晶，随着温度的升高，动态再结晶程度增大，晶粒尺寸也随之增大(见图3d～f)，此时热变形激活能Q为264.32 kJ·mol-1左右，大于纯β相的自扩散激活能161 kJ·mol-1[12]，说明此条件下的热变形机制由高温扩散以外的过程控制。

图3 原始状态及不同形变温度下的TC4-DT钛合金显微组织Fig.3 Original structure and microstructures of TC4-DT titanium alloy at different deformation temperatures

2.3 TC4-DT钛合金动态再结晶行为

图4为TC4-DT钛合金在950～1 100 ℃、不同应变速率下的显微组织。从图中可以看出，当TC4-DT钛合金在β相区变形时，形成了网篮组织，β晶粒形状随变形温度和应变速率的不同发生了明显变化。

图4 TC4-DT钛合金在不同应变速率和温度下的显微组织Fig.4 Microstructures of TC4-DT titanium alloy at different strain rates and temperatures

当温度为1 100 ℃、应变速率为0.001 s-1时，由于应变速率较低，高温停留时间较长，使晶粒发生了长大，形成了粗大的β晶粒。当应变速率为0.1 s-1时，有足够的时间进行变形，发生了动态再结晶，出现了再结晶晶粒。当应变速率为1 s-1和10 s-1时，动态回复和动态再结晶两种软化机制共同作用，β晶粒沿金属流动方向被压扁拉长，在β晶粒中产生了明显的弯曲变形带，在变形晶粒的交叉处以及变形带上有部分细小的等轴晶粒，证明发生了部分动态再结晶，但由于应变速率较快，动态再结晶并不充分，软化机制仍以动态回复为主。

当温度为相变点附近(950 ℃)时，观察到大量片层组织，等轴α相基本消失，主要是由于热压缩过程中产生的变形热来不及释放，导致合金内部温度急剧升高，发生α→β相转变，经水淬后形成大量β转变组织。当应变速率为0.01 s-1时，出现部分再结晶晶粒，发生了动态再结晶。当应变速率为10 s-1时，有明显的弯曲变形带，发生了动态回复。

从以上分析可知，低应变速率促进动态再结晶的发生，这是因为应变速率较低时，TC4-DT钛合金有充分的时间进行再结晶。而在较大的应变速率下，位错来不及交滑移和攀移，不容易相互抵消，导致位错密度急剧上升，此外由于变形时间短，动态再结晶无法充分进行，因此软化机制以动态回复为主。

2.4 TC4-DT钛合金的热加工图及其分析

Prasad等人[13]将基于动态材料模型建立起来的热加工图成功应用于多种合金。该模型把变形体作为一个功率耗散体，变形时将外界输入变形体的功率消耗在以下两个方面：①塑性变形引起的粘塑性热；②变形过程中组织变化而耗散的功率，而两部分能量的分配比例由应变速率敏感指数m决定，当m=1时材料处于理想线性耗散状态。通过对比组织演变所耗散的能量与理想线性耗散的能量，可得到材料的功率耗散率η，如下式所示：

(12)

利用η建立功率耗散图。Prasad等根据最大熵产生率原理[14]提出材料流变失稳准则：

(13)

图5给出TC4-DT钛合金在真应变为0.6时的热加工图。

图5 TC4-DT钛合金热加工图Fig.5 Hot processing map of TC4-DT titanium alloy

图中阴影部分表示流变失稳区，功率耗散率由等值线上的数字表示。从图5中可以看出，在应变速率为0.001 s-1，变形温度为870 ℃左右时，功率耗散率达到最大值，为49%左右。

在高应变速率区(图5上方)，功率耗散率η值为0%～30%，且η值随应变速率的增加而降低，此区域为流变失稳区，合金的热加工性能急剧下降。这主要是由于形成的剪切变形带使得大部分能量转化为热能，此时的功率耗散率η值较低，最小值位于加工图的左上角。

在低应变速率、两相区较低温度下(图5左下角)，η值为33%～49%，此区域为热加工的安全区。在此区域的片状α组织发生不同程度的球化，也是一种动态再结晶。由图3可见大部分片状α组织被拉长、断裂后，逐步球化，且温度越低球化效果越好。

在低应变速率、高温区(图5右下角)，η值为28%左右，此区域的变形组织为粗大魏氏组织，发生了动态再结晶(图4a)，在高应变速率下的变形组织中未发现明显的动态再结晶(图4c)，而是在垂直于压缩的方向上β晶粒被拉长，发生了动态回复。

TC4-DT钛合金的失稳区主要分布在低温高应变速率区域，变形温度范围主要在850～940 ℃，应变速率范围主要在0.1～10 s-1，功率耗散率η值小于28%。故当TC4-DT钛合金在两相区实际加工过程中，应变速率应控制在0.1 s-1以下。

3 结 论

(1)TC4-DT钛合金热变形过程中的流变应力随变形温度的升高以及应变速率的降低而显著下降，当应变达到一定值后，流变应力开始下降并趋于平稳。

(2)TC4-DT钛合金在两相区和β相区的热变形激活能分别为544.03 kJ·mol-1和264.32 kJ·mol-1，分别大于纯α相和纯β相的自扩散激活能，表明TC4-DT钛合金热变形由高温扩散以外的过程控制。

(3)在α+β两相区热变形时，原始片状α组织发生不同程度的球化，且温度越低球化效果越好，且在高应变速率下变形时容易发生非稳态流动。在β相区热变形时，低应变速率下(0.001～0.1 s-1)主要发生动态再结晶，而在高应变速率(1～10 s-1)下主要发生动态回复。

(4)TC4-DT钛合金的失稳区主要分布在低温高应变速率区域，变形温度范围主要在850～940 ℃，应变速率范围主要在0.1～10 s-1，功率耗散率η值小于28 %。故在实际两相区加工过程中，应变速率应控制在0.1 s-1以下。

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Hot Deformation Mechanism and Processing Map of TC4-DT Titanium Alloy

Lei Wenguang1,2,Han Dong2, Zhang Yongqiang2, Mao Xiaonan2, Li Jinshan1, Yang Guanjun1

Hot compressive deformation of TC4-DT titanium alloy was carried out with the hot-simulation machine of Gleeble-1500 at the deformation degree of 0.7, over the range of deformation temperature from 850 ℃ to 1 100 ℃, strain rate from 0.001 s-1to 10 s-1. The deformation behavior and microstructure evolution were analyzed, meanwhile the constitutive model and hot processing map were set up. The results reveal that the deformation activation energy of TC4-DT titanium alloy are 544.03 kJ·mol-1in two-phase region and 264.32 kJ·mol-1inβphase region respectively, larger than self diffusion activation energy of pureαandβphase,which shows the thermal deformation of TC4-DT titanium alloy is controlled by high temperature diffusion process. When the alloy is deformed in two-phase region, the globularization intensity increases obviously with temperature decreasing. In theβphase region, the dynamic recrystallization occurs at low strain rate (0.001 s-1to 0.1 s-1) and the dynamic recovery occurs at high strain rate (1 s-1to 10 s-1). Furthermore, the instability zone of TC4-DT titanium alloy is mainly distributed in the low temperature and high strain rate region where the deformation temperature range from 850 ℃ to 940 ℃, the strain rate range from 0.1 s-1to 10 s-1,and the power dissipation rate (η) is lesser than 28%.

TC4-DT titanium alloy;hot deformation;constitutive relation;processing map

2014-11-10

国家自然科学基金青年基金项目(51201138)

雷文光(1983—)，男，博士研究生。

(1.State Key Laboratory of Solidification Processing，Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China) (2.Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xi’an 710016, China)