TC18钛合金铸锭组织特征及热变形行为

全秀煜，孙小勇，刘继雄，2，何书林，李 巍，刘 钊，张平辉

（1.宝鸡钛业股份有限公司，陕西 宝鸡 721014；2.宝钛集团有限公司，陕西 宝鸡 721014）

钛合金具有高的比强度、良好的耐蚀性能、无磁性、优异的高温性能，在飞机、发动机、兵器、舰船等各型装备上得到广泛应用。随着飞机结构选材对比强度的进一步提高，高强钛合金TC18的用量在不断增加。作为一种近β型两相钛合金，具有良好的加工性能、高的淬透性、焊接性能、疲劳性能等，在飞机上作为大型结构件[1-2]。

材料热变形行为是指流变应力与变形程度、变形温度、应变速率等变形条件之间的关系。流变应力、表观变形激活能、应变速率敏感性指数和应变硬化指数等相关指数是表征金属或合金塑性变形特性的一些基本量，通过测试不同条件下的应力应变曲线，从而计算出相关指数。目前对TC18钛合金热变形行为的研究主要利用变形态组织，观察热变形过程，分析组织关系，建立本构方程等[3-7]。

本文取钛合金铸态组织试样，进行TC18钛合金恒温等应变热压缩试验，测试不同变形温度和应变速率下的应力应变曲线，观察不同变形条件下的组织状态，计算表观变形激活能、应变速率敏感性指数和应变硬化指数等表征指标，为建立不同变形阶段的本构方程、加工图和实现TC18钛合金锻造过程中的数值模拟提供支撑。

1 试样制备与试验方法

利用真空自耗电弧炉，采用三次真空自耗电弧熔炼制备出TC18钛合金大型铸锭，铸锭单重6吨以上，铸锭规格为Ф804mm。TC18钛合金铸锭的化学成分（wt%）为Al：5.5、Mo：5.2、V：5.1、Cr：1.0、Fe：1.0、O：0.10。将TC18钛合金6吨级铸锭二均分，在头部和中部取低倍试样片，规格为Φ820×30mm，经机加、腐蚀后观察铸锭低倍组织。对TC18钛合金铸锭头部铸态组织取样，进行TC18钛合金热模拟压缩试验，结合TC18钛合金铸锭到棒材等热变形过程，选取热模拟工艺参数。

TC18钛合金热变形工艺参数如下：变形温度（℃）为1150、1110、1070、1030、990；应变速率（s-1）为1、0.1、0.05、0.01、0.005和0.001；变形量：工程应变50%；冷却：最大冷速。

热模拟压缩试验在Thermecmaster-Z型热模拟试验机上进行，压缩前抽真空。压缩试样为Ф8×12mm的圆柱体，上下两端面加工有直径为7.6mm，深为0.2mm的浅槽，用于贮存高温保护润滑剂，以便尽可能减小摩擦。试样采用电频感应加热，升温速度为10℃·s-1，试样加热至变形温度后保温3min，然后以恒定应变速率压缩，压缩完成后空冷到室温。压缩过程中由焊接在试样侧面中部的热电偶实时测量温度，通过闭环温控系统实现控温，控温精度为±1.0℃。试验过程中，配有微机处理系统的试验机自动采集相关数据，并进行修正和计算，最后以表格形式输出载荷-行程和流动应力-应变等数据。

2 试验结果与讨论

2.1 TC18钛合金铸锭组织特征

图1为TC18钛合金铸锭样片晶粒尺寸特征和统计图。不同区域数值的含义是晶粒宽度（长宽比）。从图1可以看出，在VAR钛合金铸锭的凝固组织中存在典型的三晶区：表面细晶区、柱状晶区及中心等轴晶区。对于头部低倍，边部是细晶区，区域厚度，晶粒尺寸为7.12mm，长宽比为1：1；往心部是柱状晶区，最中心是等轴晶区，晶粒尺寸为6.67mm，长宽比为1：1，区域直径为100mm左右。对于中部低倍，边部同样是细晶区，区域厚度小，晶粒尺寸与头部相当；随后是柱状晶区，区域厚度为100mm左右；心部是等轴晶区，等轴晶区的晶粒有三种特征，正常等轴晶区，受旋转磁场影响变形的粗大等轴晶区，最后凝固的小等轴晶区，该区域最小。头部和中部晶粒先增加和长宽比都是先增加后减小，中部出现了大晶粒区。

图1 TC18钛合金铸锭样片晶粒尺寸特征与统计

2.2 TC18钛合金铸态组织的热变形行为

2.2.1 TC18钛合金铸态组织的应力应变曲线

图2为TC18钛合金铸态组织在不同温度和应变速率压缩的应力应变曲线。从图中可以看出：（1）整体上看，在不同温度和应变速率条件下，随应变的增加，流动应力先增加随后降低，或者维持稳定。这是由于在变形初期，主要是位错密度增加引起的加工硬化为主，流动应力增加。流动应力达到峰值后，随应变增加，位错的滑移和攀移，以及位错的配对使得位错密度降低，引起动态软化效应超过加工硬化效应，使得流动应力降低。一般流动应力下降时，主要是发生了动态回复和再结晶，而流动应力稳定时，主要是发生了动态回复。（2）当变形温度一定时，应变速率越高，流动应力越大，流动应力对应变速率越敏感。较高的变形温度和较低的应变速率下，应力应变曲线进行稳态流动阶段的应变减小。（3）当应变速率一定时，变形温度越高，流动应力越小，流动应力同样对变形温度敏感。应变速率为1s-1，较低的变形温度990℃和1030℃，应力应变曲线出现了非连续屈服现象。

图2 TC18钛合金铸态组织在不同温度和应变速率压缩的应力应变曲线

2.2.2 表观变形激活能

高温塑性变形最显著的特点之一便是变形受热激活过程控制。变形温度、应变速率对流动应力的影响可用Arrhenius方程表示：

图3为TC18钛合金铸态组织热变形的表观变形热激活能。由图3可以看出，在高温变形过程中，随着应变的增加表观变形热激活能先增加后降低，但是降低幅度比较小，应变对TC18钛合金的变形激活能影响不显著。根据lnσ-lnε曲线斜率和lnσ-1/T曲线斜率得到TC18钛合金的表观变形热激活能平均值为189.81kJ·mol-1。与β-Ti的自扩散激活能153kJ·mol-1相比，TC18钛合金铸态组织单相区高温下的表观激活能相差不多，表明高温变形过程以位错攀移控制的动态回复机制占主导地位。这也与前面应力应变曲线随温度和应变速率的影响分析是一致的。

图3 TC18钛合金铸态组织热变形的表观变形热激活能

2.2.3 应变速率敏感性指数

应变速率敏感性指数（m）是超塑性变形中的重要参数，表征材料形成缩颈的倾向。通过公式（2）可以计算不同应变下的应变速率敏感性指数（m）。即：

图4为TC18钛合金铸态组织高温压缩时的应变速率敏感性指数，应变为0.6。应变速率1s-1时，随变形温度的增加，m值先增加后降低；其他应变速率下，m值波动较小。

图4 TC18钛合金铸态组织高温压缩时应变速率敏感性指数ε=0.6

3 结论

（1）TC18钛合金铸锭头部和中部低倍组织相比，头部铸态组织宽度比较一致，中部铸态组织出现了大晶粒区域。

（2）TC18钛合金铸态组织的表观变形热激活能平均值为189.81kJ·mol-1。

（3）当应变为0.6时，应变速率敏感性指数在应变速率1s-1时，随变形温度的增加，m值先增加后降低，其他应变速率下，m值波动较小。