稀有金属 2013,37(03),353-358+7

TA15钛合金板材单向拉伸超塑变形行为研究

付明杰 许慧元 邵杰 韩秀全

北京航空制造工程研究所金属成形技术研究室

摘 要：

采用TA15钛合金板材,研究了在860～980℃,8.3×10-4～1.7×10-3s-1条件下进行的超塑拉伸性能。结果标明:随着变形温度的升高,延伸率先增加后降低;在940℃、应变速率为1.7×10-3s-1、垂直轧制方向获得最大延伸率为1370%。随着变形温度的升高和拉伸速度的降低,等轴α晶粒尺寸增大。变形温度为940℃时诱发次生α相的析出,少量的层片组织对提高延伸率具有一定的作用。

关键词：

TA15钛合金;超塑性;显微组织;

中图分类号： TG115.52;TG146.23

作者简介：付明杰(1981-),男,内蒙古人,博士,工程师;研究方向:高温钛合金、金属间化合物和高温合金的超塑成形/扩散连接工艺 (E-mail:fumj1981@126.com);

收稿日期：2013-02-20

基金：总装备部武器装备预研先进制造技术项目(51318040322);

Superplastic Deformation Behavior of TA15 Alloy Sheet by Superplastic Tension

Abstract：

The results of superplastic tension of TA15 alloy sheet under the conditions of 860⁹80 ℃ and 8.3×10-4¹.7×10-3 s-1 showed the elongation increased firstly and decreased with the increase of deformation temperature.The largest elongation of 1370% was obtained at the optimal superplastic deformation condition of 940 ℃,1.7×10-3 s-1 and perpendicularity of rolling direction.The grain size of α phase increased with the increase of deformation temperature and the decrease of strain rate.The appearance of lamellar structure under deformation of 940 ℃ will have some advantages to the superplasticity.

Keyword：

TA15 alloy;superplasticity;microstructure;

Received： 2013-02-20

TA15钛合金的名义成分为Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V,由于加入了α稳定元素Al,中性元素Zr和β稳定元素Mo和V,所以该合金既具有α型钛合金良好的热强性和可焊性,又具有接近于α-β型钛合金的工艺塑性,最高使用温度可达到500℃^[1]。采用SPF/DB工艺制造航空部件对减重,无余量成形,降低成本具有巨大的优势^[2,3,4]。

耿启东等^[5]用应变速率循环法研究了TA15合金棒材超塑性,经过4个周期循环后在900℃获得了最大延伸率为412%,m值为0.73,应变速率为5.13×10^-5s^-1。吴晨刚等^[6]用更低的应变速率循环同样在900℃获得了更大的延伸率为846%,最佳应变速率范围在1.2×10^-4~1.9×10^-4s^-1之间。赵张龙等^[7]对细晶TA15钛合金棒材的超塑性变形行为和组织演变进行了研究,在不同的变形温度条件下获得了超过2000%以上的延伸率。从组织演变分析发现,超塑变形过程中发生动态回复和动态再结晶,应变硬化和动态再结晶软化的协调是获得超塑性的主要原因。

本实验针对TA15轧制板材,采用恒速度单向超塑拉伸的试验方法,分析变形温度、应变速率和变形方向对TA15钛合金的延伸率和组织变化的影响,并研究其单拉超塑变形机理和失效机制,为TA15钛合金的SPF/DB工艺提供理论依据。

1 实验

实验选用1.5 mm厚的M态TA15钛合金板,化学成分(%,质量分数)为:Al 6.51,V 1.34,Fe0.062,Si 0.034,Mo 1.16,Zr 1.73,C 0.014,N0.0042,O 0.04,H 0.0025。相变点为1000℃。利用电火花线切割方法沿轧制方向(L)、垂直轧制方向(T)加工拉伸试样,其尺寸如图1所示,标距为10 mm×6 mm×1.5 mm。用Si C水磨砂纸对试样进行研磨确保试样标距范围内各表面无横向划痕。变形温度为860~980℃,间隔40℃;应变速率为1.7×10^-3s^-1和8.3×10^-4s^-1。拉伸前试样表面涂高温抗氧化涂料防止拉伸过程氧化,试样随炉加热到试验设定的温度,保温5 min后进行拉伸,拉伸过程中保持夹头的速度恒定,直至试样拉断为止。将试样取出后立即水淬,以保留高温变形组织。位移和载荷随拉伸过程进行测定和记录,试样加热采用电阻炉,最高工作温度为1000℃,有效拉伸空间距离300 mm,均温带长度300 mm,工作区的温度误差≤±5℃。采用V(HF)∶V(HNO₃)∶V(H₂O)=1∶2∶7的金相腐蚀液侵蚀10 s后,在O-LYMPUS BX41M金相显微镜进行显微组织观察分析。板材的原始组织如图2所示,轧制方向和垂直轧制方向的组织均带有一定程度的纤维组织特征,但轧制方向的更为明显。其组织为近α组织,平均晶粒尺寸为10μm。

图1 拉伸试样尺寸Fig.1 Dimensions of superplastic tensile sample

图2 TA15板材原始组织Fig.2 Primary microstructure of TA15 alloy sheet

2 结果与讨论

2.1 载荷-位移曲线

如图3所示为不同变形条件下的载荷-位移曲线。可以发现,载荷在变形初期迅速达到峰值后降低,逐渐达到稳态变形。随着变形温度的升高和拉伸速度的增加,峰值载荷逐渐降低,而在相同拉伸速度条件下,940和980℃的峰值载荷相近。由载荷-位移曲线形状也可以发现,TA15钛合金为典型的动态再结晶软化曲线,主要包括3个阶段,硬化阶段、软化阶段和稳态变形阶段。变形初期,由于加工硬化的作用载荷增加,当达到临界应变时,材料内部发生动态恢复和再结晶,导致载荷下降;变形量继续增加,当硬化和软化达到平衡时,载荷不再随变形量的增加而改变,即稳态变形。

2.2 温度、拉伸速度和变形方向对延伸率的影响

经超塑拉伸获得的最终形状及延伸率如图4所示。可以看出,在940℃,拉伸速度为1.02 mm·min^-1,垂直轧制方向变形时可获得最大延伸率为1370%。

观察图5,6所示,温度对延伸率的影响表现为随着温度的升高,延伸率先升高后减小,均在940℃时延伸率达到最大。

图5为拉伸速度对延伸率的影响。图5(a)所示为平行轧制方向不同拉伸速度条件下延伸率随温度的变化曲线。可以发现,在900℃以下,拉伸速度为0.5 mm·min^-1变形时的延伸率较高,而温度达到940和980℃时,拉伸速度为1.02 mm·min^-1变形时的延伸率较高。垂直于轧制方向延伸率的变化如图5(b)所示,与平行轧制方向不同,拉伸速度为0.5 mm·min^-1变形时在860和980℃时较高,拉伸速度为1.02 mm·min^-1变形时在900和940℃时较高。这是因为超塑拉伸过程是一个动态过程,其组织随变形过程不断地在发生变化。常见的超塑变形机制有扩散蠕变、位错蠕变、晶界滑移和晶粒转出机制等等^[8,9,10]。根据有关文献[7,11]报道,TA15钛合金的主要超塑变形机制是依靠初生α相和次生α相的破碎以及动态恢复和动态再结晶获得高的延伸率。低温变形时,动态恢复和动态再结晶以及晶粒协调转动变形的速度较慢,因此需要在较慢的拉伸速度下进行才得以获得较高的延伸率;如果变形速度较高,来不急进行动态恢复和动态再结晶以及晶粒协调转动,导致发生加工硬化速度大于软化速度^{[12,13,14,15]},因此,达到一定的变形量时,材料便发生断裂。而在高温变形时,由于具有更高的能量,导致材料发生动态恢复和动态再结晶以及晶粒协调转动发生的速度较快。然而,如果在较低的变形速度下,晶粒发生长大,且长大的速度高于再结晶的速度,致使晶粒粗大,达到一定程度后,则不满足超塑性的组织要求,便发生材料断裂。

变形方向对延伸率的影响如图6所示。拉伸速度为0.5 mm·min^-1时,垂直轧制方向的延伸率在变形温度范围内普遍较高,只有在900℃时低于轧制方向变形的延伸率;而拉伸速度为1.02 mm·min^-1时,在980℃时垂直于轧制方向变形的延伸率低于轧制方向变形的延伸率。观察图1所示的原始组织,可以发现,沿轧制方向晶粒具有一定的方向性,且有一定程度的拉长。而垂直轧制方向的组织为等轴组织,具有更好的超塑组织特性,因此,垂直轧制方向具有更高的延伸率。

2.3 温度、拉伸速度和变形方向显微组织的影响

组织观察位置示意图如图7所示,A点位于稳态变形区,D点位于断口区,B和C点位于过渡区。

图7 组织观察位置示意图Fig.7 Microstructure analysis position

对比各变形温度条件下的组织特征,可以发现,随着温度的升高,晶粒尺寸逐渐增大,且均程等轴晶粒分布,温度为940和980℃时,开始逐渐有层片状次生α相析出。根据拉伸获得的延伸率,可以看出,在940℃时存在少量的层片组织对获得高的延性具有一定的作用;与文献[7]的结果相近,由于变形温度的增加,次生α相的出现增加了其变形机制,因此,其延伸率有所提高。观察断口附近(图7中的D点)的组织发现,980℃以下均变为粗大的α相,且晶粒不再呈等轴状,有一定的变形或拉长,而在980℃时,出现片层和α晶粒的混合组织,并且层片组织主要分布于截面的中部,而等轴α晶粒分布在截面两侧,如图8(b,d)所示。采用静态热处理的方法对TA15板料进行热处理,温度分别为940和980℃,时间分别选择为2.5和1 h,与拉伸过程保持一致,所获得的组织如图9所示。可见,940℃+2.5 h(图9(a))热处理后组织仍为近由等轴α晶粒组成的近α组织,其平均尺寸约为15μm;而980℃+1 h(图9(b))热处理后组织与拉伸后的组织相似,外侧为近α组织,而心部为双态组织。可见,在940℃条件下变形可以诱发次生α相的产生,这种组织进一步增加变形方式,从而获得更高的延伸率。

拉伸速度对微观组织的影响主要表现在,拉伸速度为0.5 mm·min^-1的α晶粒尺寸较1.02 mm·min^-1的大,这是由于拉伸速度较慢变形时晶粒长大的速度大于动态再结晶的速度,而变形温度为940和980℃条件下,层片组织含量随拉伸速度的增加而减小。

对比各个条件下L方向和T方向的组织,发现经过超塑拉伸后不但可以使晶粒等轴化,同时也消除原始材料状态的组织各向异性,因此,拉伸方向对微观组织的影响并不明显。

3 结论

1.通过单向恒速度超塑拉伸试验研究TA15钛合金的超塑性发现,随着变形温度的升高,延伸率先增加后降低;在940℃、速度为1.02 mm·min^-1、垂直轧制方向获得最大延伸率为1370%。

2.变形温度和拉伸速度对组织的影响较大,而变形方向对组织的影响不明显。随着变形温度的升高和拉伸速度的降低,等轴α晶粒尺寸增大。

3.变形温度为940℃时诱发次生α相的产生,增加超塑变形机制,少量的层片组织对提高延伸率具有一定的作用。

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