TC11鈦合金在航空工業(yè)上應(yīng)用廣泛，但其熱變形溫度范圍較窄，變形抗力大［1-3］。變形過(guò)程中合金的流動(dòng)應(yīng)力對(duì)溫度、應(yīng)變速率等工藝參數(shù)比較敏感［4-6］。
為了優(yōu)化TC11鈦合金的熱成形工藝參數(shù)，研究TC11鈦合金熱變形行為以及熱變形過(guò)程中工藝參數(shù)的變化對(duì)微觀組織的影響至關(guān)重要。本文利用熱模擬壓縮試驗(yàn)，分析TC11鈦合金的在不同工藝參數(shù)下的熱變形行為以及顯微組織的演變規(guī)律。結(jié)合熱加工圖分析［7-8］，從而達(dá)到優(yōu)化TC11鈦合金變形工藝參數(shù)的目的。
1、試驗(yàn)材料與方法
試驗(yàn)采用φ18mm的TC11鈦合金棒材，試驗(yàn)前進(jìn)行退火，制度為950℃×1h，爐冷至600℃保溫2h，空冷。退火后的顯微組織如圖1所示，由圖1可以發(fā)現(xiàn)，退火后TC11鈦合金顯微組織主要由等軸α相和β相組成。退火后的試樣機(jī)械加工成φ8mm×12mm的圓柱體進(jìn)行后續(xù)的熱模擬壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備選擇Gleeble-3500型熱模擬試驗(yàn)機(jī)。變形溫度選擇:750、800、920、940和960℃，應(yīng)變速率:0.001、0.1、1和10s－1，變形程度:30%、50%和70%，壓縮變形后采用水冷的方式冷卻。變形后的試樣沿軸線方向切割，制備金相試樣后進(jìn)行顯微組織觀察。
2、試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1流動(dòng)應(yīng)力
不同變形溫度和應(yīng)變速率下的TC11鈦合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。熱變形溫度較低時(shí)(750、800℃)，流變應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加逐漸增加，達(dá)到峰值后呈降低的趨勢(shì)。而在920、940和960℃較高的變形溫度下，流動(dòng)應(yīng)力在最初的急劇升高后，迅速軟化并趨于穩(wěn)定，處于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的狀態(tài)。在相同溫度下，隨著應(yīng)變速率的升高，流動(dòng)應(yīng)力的軟化程度增加。TC11鈦合金在變形初期，加工硬化速率大于動(dòng)態(tài)軟化的速率，若應(yīng)變速率較高，造成流動(dòng)應(yīng)力急速上升;隨著變形的增加，位錯(cuò)密度增加，晶格畸變能增加，為合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶提供了形核點(diǎn)以及驅(qū)動(dòng)力，從而使得動(dòng)態(tài)再結(jié)晶等軟化作用增加，造成位錯(cuò)密度降低，流動(dòng)應(yīng)力減小。而在較低的應(yīng)變速率下，位錯(cuò)的增殖相對(duì)較慢，同時(shí)變形時(shí)間長(zhǎng)，有利于動(dòng)態(tài)回復(fù)的進(jìn)行，從而使得硬化和軟化處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡，流動(dòng)應(yīng)力曲線比較平緩。
2.2熱加工圖
基于動(dòng)態(tài)材料模型(DMM)，結(jié)合熱模擬壓縮試驗(yàn)獲得的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，分別計(jì)算在不同變形溫度、應(yīng)變速率以及變形量條件下TC11鈦合金的能量耗散率η以及穩(wěn)定性參數(shù)ξ(ε·)。利用能量耗散率η，繪制變形溫度T和應(yīng)變速率ε·所構(gòu)成的二維平面上功率耗散圖;結(jié)合不同條件下的ξ(ε·)值繪制的流變失穩(wěn)圖可以獲得特定應(yīng)變條件下的熱加工圖。圖3給出了TC11鈦合金在真應(yīng)變?yōu)?.6時(shí)的熱加工圖，圖3的等值線表示TC11鈦合金在熱變形過(guò)程中的能量耗散率η，陰影部分表示熱變形過(guò)程中的塑性失穩(wěn)區(qū)(ξ(ε·)＜0)。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，在真應(yīng)變?yōu)?.6的條件下，當(dāng)變形溫度為940℃，應(yīng)變速率為0.001s－1時(shí)，TC11鈦合金變形過(guò)程中的能量耗散率最高，達(dá)到0.71。而當(dāng)變形溫度在920～930℃，應(yīng)變速率在0.9～10s－1時(shí)，TC11鈦合金在熱變形時(shí)出現(xiàn)塑性失穩(wěn)的現(xiàn)象。
2.3顯微組織
圖4為940℃、變形量為30%時(shí)在不同應(yīng)變速率下TC11鈦合金熱變形后的顯微組織。不同應(yīng)變速率下，變形后顯微組織中α相的差別較大。在0.001s－1的條件下，變形時(shí)間長(zhǎng)，α相有合并長(zhǎng)大的趨勢(shì)，使得α相的晶粒數(shù)量降低，尺寸增大，在熱加工圖上這部分區(qū)域的能量耗散率高，主要是組織的演變消耗了較多的變形能量。隨著應(yīng)變速率的增加，合金的變形過(guò)程中動(dòng)態(tài)回復(fù)加強(qiáng)，原始組織中的等軸狀晶粒能夠保持下來(lái)(見圖4(b))。而當(dāng)應(yīng)變速率為10s－1時(shí)，變形時(shí)間較短，動(dòng)態(tài)回復(fù)無(wú)法進(jìn)行，同時(shí)位錯(cuò)密度以及畸變能的迅速增加，有利于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的進(jìn)行，圖4(d)可以發(fā)現(xiàn)，顯微組織中細(xì)小的α相增多，晶粒細(xì)化現(xiàn)象明顯。
圖5為在920℃，10s-1的條件下，變形量對(duì)TC11合金顯微組織的影響。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，隨著變形量的增加，顯微組織中的α相出現(xiàn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶細(xì)化的現(xiàn)象。當(dāng)變形量為30%時(shí)，顯微組織呈現(xiàn)變形的特征;當(dāng)變形量為70%時(shí)，顯微組織中細(xì)小α相明顯增多。對(duì)比圖4(d)和圖5(a)可以發(fā)現(xiàn)，在相同應(yīng)變速率和變形量下，變形溫度的升高有利于合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。
3、結(jié)論
1)TC11鈦合金在高溫變形過(guò)程中，隨著變形溫度的升高以及應(yīng)變速率的降低，合金的流動(dòng)應(yīng)力呈降低的趨勢(shì);隨著應(yīng)變速率升高，合金的流動(dòng)應(yīng)力軟化程度增加。
2)在真應(yīng)變?yōu)?.6的條件下，能量耗散率最高出現(xiàn)在940℃，0.001s－1的條件下，達(dá)到0.71;塑性失穩(wěn)區(qū)出現(xiàn)在920～930℃，0.9～10s-1的變形工藝參數(shù)范圍。
3)TC11鈦合金在熱變形過(guò)程中，應(yīng)變速率的增加促進(jìn)α相的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶;同時(shí)變形量的增加以及變形溫度的升高有利于再結(jié)晶的進(jìn)行。
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