简介概要

变形温度对TC11合金低应变速率下的变形行为及组织的影响

来源期刊：稀有金属2009年第2期

论文作者：李鑫鲁世强董显娟王克鲁杨化娟

关键词：TC11钛合金; 变形温度; 变形行为; 微观组织;

摘要：采用THERMECMASTOR-Z热模拟试验机研究了TC11钛合金在变形温度780～1080℃,应变速率0.001～1 s-1范围的热变形行为,并采用金相显微镜研究了变形温度对TC11钛合金组织的影响,主要研究结果如下:变形温度对TC11钛合金的流动应力有显著影响,在较高温度或较低应变速率时,变形呈稳态流动特征;在较低温度或较高应变速率时,变形呈流变软化特征.在β单相区,当应变速率为1 s-1时,组织主要为拉长的β晶粒和少量的动态再结晶晶粒;当应变速率为O.01～0.1 s-1时,变形机制主要为动态再结晶;当应变速率在0.001 s-1附近时,变形机制为动态回复.在(α+β)两相区,变形温度870～960℃,应变速率0.001 s-1附近时,变形机制为超塑性.

稀有金属 2009,33(02),142-146 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2009.02.012

变形温度对TC11合金低应变速率下的变形行为及组织的影响

鲁世强李鑫董显娟杨化娟

南昌航空大学材料科学与工程学院

摘要：

采用THERMECMASTOR-Z热模拟试验机研究了TC11钛合金在变形温度780¹080℃, 应变速率0.001¹ s-1范围的热变形行为, 并采用金相显微镜研究了变形温度对TC11钛合金组织的影响, 主要研究结果如下:变形温度对TC11钛合金的流动应力有显著影响, 在较高温度或较低应变速率时, 变形呈稳态流动特征;在较低温度或较高应变速率时, 变形呈流变软化特征。在β单相区, 当应变速率为1 s-1时, 组织主要为拉长的β晶粒和少量的动态再结晶晶粒;当应变速率为0.01⁰.1 s-1时, 变形机制主要为动态再结晶;当应变速率在0.001 s-1附近时, 变形机制为动态回复。在 (α+β) 两相区, 变形温度870⁹60℃, 应变速率0.001 s-1附近时, 变形机制为超塑性。

关键词：

TC11钛合金;变形温度;变形行为;微观组织;

中图分类号： TG146.23

收稿日期：2008-03-04

基金：江西省自然科学基金 (2007GQC1575);江西省教育厅科技项目 (GJJ08203) 资助;

Effect of Temperature on Deformation Behavior and Microstructures at Low Strain Rate of Titanium Alloy TC11

Abstract：

The hot deformation behavior of titanium alloy TC11 with an equiaxed (α+β) starting microstructure was studied in the temperature range of 780¹080 ℃ and strain rate range of 0.001¹ s-1 with a Thermecmaster-Z simulator.In addition, the effect of temperature on microstructure was observed using optical microscope.The results showed that the temperature affected the flow stress and microstructure of titanium alloy TC11 obviously.The steady state flow characteristics existed during hot deformation of titanium alloy TC11 at higher temperature or lower strain rates.The flow softening characteristics existed at lower temperature or higher stain rates.Microstructure examinations showed that in the β phase region, fine grains which along elongated β grain boundaries were observed at strain rate 1 s-1, the operative deformation mechanism was partly dynamic recrystallization.Full dynamic recrystallization of β grains occurred in the strain rates range of 0.01～0.1 s-1, and dynamic recovery of β grains occurred at strain rate of 0.001 s-1.In the α+β phase region, the optimum thermomechanical parameters were in the temperature range of 870～960 ℃ and strain rate of 0.001 s-1 with the operative deformation mechanism of superplasticity.

Keyword：

titanium alloy TC11;deformation temperature;deformation behavior;microstructure;

Received： 2008-03-04

TC11高温钛合金是我国仿制前苏联BT9Л的 (α+β) 两相钛合金, 具有优良的综合力学性能、高温强度和抗蠕变性能, 目前是我国航空发动机上使用量最大的高温钛合金, 设计使用温度为500 ℃, 主要用于制造航空发动机压气机转子叶片和机盘等关键零件 ^[1,2,3] 。但由于它的成形温度较窄, 加之变形抗力对变形温度和应变速率很敏感, 导致成形的复杂性, 造成实际生产过程中, TC11高温钛合金产品的批生产稳定性较差, 显微组织不均匀, 严重影响了产品质量的稳定性。由于钛合金对锻造设备的速度很敏感, 在模锻锤和对击锤等高应变速率设备上进行模锻时, 易导致工艺塑性下降, 变形抗力提高, 难以充满模槽, 因此, 选用应变速率较低的液压机、机械压力机或螺旋压力机模锻钛合金锻件更为适宜 ^[4] 。本文采用THERMECMASTOR-Z型热模拟试验机研究了变形温度对TC11钛合金低应变速率下变形行为及组织的影响, 并分析了微观变形机制, 研究结果可用于指导TC11钛合金产品的实际生产。

1 实验

实验材料为TC11钛合金铸件经过低-高-低三火改锻的棒材, 原始组织为等轴组织 (图1) 。其名义成分为 (%, 质量分数) : Al 6.5, Mo 3.5, Zr 1.5, Si 0.3, 其余为Ti; 实验材料的 (α+β) /β转变温度为1008 ℃。将原始棒材加工成Φ 8 mm×12 mm的热模拟用圆柱试样, 试样两端面加工0.2 mm深的凹槽, 用于存储润滑剂, 以减小摩擦的影响。

热模拟压缩试验在THERMECMASTOR-Z型热模拟试验机上进行, 实验条件如下: 采用真空感应加热, 升温速度为10 ℃·s^-1, 升温至变形温度后保温150 s以使温度均匀化, 变形方式为轴向压缩。实验温度分别为780, 810, 840, 870, 900, 930, 960, 990, 1020, 1050, 1080 ℃; 应变速率分别为0.001, 0.01, 0.1和1.0 s^-1, 压缩变形程度均为70% (对应的真应变均为1.2) 。热压缩完成后立即喷氦气冷却, 沿着平行于压缩轴方向将试样剖开, 制备金相试样, 利用金相显微镜对显微组织进行观察, 并采用定量金相法对组织进行分析。

图1 实验用TC11钛合金的原始组织

Fig.1 As-received microstructure of titanium alloy TC11

2 结果与讨论

2.1变形温度对TC11钛合金低应变速率下流动应力的影响

金属热变形流动应力是材料在高温下的基本性能之一, 它不仅受变形热力参数的影响, 也是变形体内部显微组织演变的综合反映。应变速率分别为0.001, 0.01, 0.1和1.0 s^-1时, 不同变形温度下的TC11钛合金的真应力—应变曲线如图2所示。从图2可以看出, 变形温度对流动应力有较大影响, 在同一应变速率下, 变形温度越高, 流动应力越低。变形温度对流动应力的影响程度与应变速率有关, 当应变速率较小时, 变形温度对流动应力的影响较小; 当应变速率较大时, 变形温度对流动应力的影响较大。如应变速率为0.001 s^-1 (图2 (a) ) 时, 变形温度由780 ℃提高到1080 ℃, 峰值应力由179.1 MPa下降至7.4 MPa, 下降了171.7 MPa; 应变速率为1 s^-1 (图2 (d) ) 时, 变形温度同样由780 ℃提高到1080 ℃, 峰值应力由456.9 MPa下降至51.3 MPa, 下降了405.6 MPa, 下降幅度明显不同, 这主要是由于应变速率较高时, 加工硬化现象严重, 提高变形温度, 可以大大加强动态软化过程, 从而使应力显著下降; 而应变速率较低时, 因有足够的时间完成动态回复或再结晶过程, 各种温度下的软化过程均可完全消除加工硬化, 使材料进入稳态变形状态, 因而变形温度对流动应力的影响作用减弱。

从图2还可以看出, 当变形温度较低, 应变速率较高时, TC11钛合金的流动应力先随应变量的增大而迅速增大, 达到峰值后下降, 呈流变软化特征, 流变软化与热效应和温度效应有关, 由于TC11钛合金的热导率低, 变形热不能及时向周围环境释放, 易导致局部温升引起流动软化。当变形温度较低时, 变形抗力和单位体积变形功较大, 转化为热能的能量也就较多, 而且低温时热量不容易散失, 因此温度效应就更明显; 当应变速率较大时, 变形抗力及单位体积的变形功也越大, 另外, 由于变形时间短, 热量的散失也越少, 温度效应也越明显 ^[5] 。当变形温度较高, 应变速率较低时, TC11钛合金的真应力-应变曲线接近稳态流动型, 即流动应力在变形过程中变化很小。同时, 观察图2可知, 随变形温度的增加, 出现稳态流动的真应力-应变曲线应变速率范围逐渐向高应变速率方向扩展。

图2 不同变形温度下的应力-应变曲线Fig.2 True stress-strain curves of titanium alloy TC11 at different temperature in the strain rate

(a) 0.001 s^-1; (b) 0.01 s^-1; (c) 0.1 s^-1; (d) 1.0 s^-1

实际锻造时, 希望金属处于稳态流动状态, 变形抗力小, 且对变形温度、应变速率和变形程度的敏感性要低。因此, 仅从热力参数对流动应力的影响特点来看, 适宜的热力参数范围为900～1080 ℃和0.001～0.1 s^-1; 但考虑到变形温度太高, TC11钛合金易氧化, 且晶粒会粗化, 因此, 变形温度以900～1050 ℃为宜。

2.2变形温度对TC11钛合金低应变速率下显微组织的影响

金属材料的性能与显微组织密切相关, 而显微组织取决于材料的加工方法及工艺参数。本文给出了应变速率分别为0.001, 0.1和1.0 s^-1时, 780, 960和1080 ℃温度下试样的金相照片。

图3为应变速率0.001 s^-1时, 不同变形温度下TC11钛合金的金相组织。当变形温度低于1008 ℃, 即在α+β两相区变形时, 如图3 (a) , (b) 所示, 变形温度对显微组织的影响主要表现在初生α相和β转变组织相对含量的不同, 变形温度较低时, 初生α相所占比例一般较高。初生α相含量对材料的力学性能有明显影响, 一般情况下, 材料的断面收缩率与初生α相含量有密切的关系, 若初生α相所占比例过低, 会使塑性明显降低; 然而, 随着初生α含量的增加, 蠕变强度一般会降低; 在有些技术条件中, 不仅规定了初生α相的最低含量, 对其最高允许含量也进行了规定, 因此, 实际生产过程中应选择合适的变形温度 ^[6,7] 。当变形温度为960 ℃ (图3 (b) ) 时, α相与β相界变得较为模糊, 组织出现粘连现象, 这主要与原始初生α相与β转变组织中的次生α相在高温长时间作用下的合并长大, 引起α相的聚集有关 ^[8,9] 。通过对其他温度下的变形组织观察分析可知, 应变速率0.001 s^-1, 变形温度870, 900和930 ℃时的显微组织与960 ℃时的基本一致。同时, 作者在相关工作中研究了TC11钛合金的高温拉伸行为, 当变形温度870～960 ℃, 应变速率0.001 s^-1时, 延伸率均超过450%, 因此, 此变形条件下的变形机制应为超塑性。当变形温度为1080 ℃时 (图3 (c) ) , 变形处于β单相区, β组织极为粗大, β相仅发生了动态回复, 这是因为动态再结晶需要一定的驱动力 (畸变能差) , 当应变速率很小时, 材料中积累的畸变能差较小, 并且动态回复在随时进行, 畸变能也随时在释放, 剩余的畸变能不易达到发生动态再结晶所需要的能量水平, 因此当应变速率为0.001 s^-1时, β晶粒只能发生动态回复, 而不易发生动态再结晶。此条件下, β晶粒平均尺寸达210 μm, 这种粗大的晶粒对TC11钛合金的力学性能非常不利。对于钛合金来说, 超塑性成形是一种有益的变形机制, 因此, 应变速率为0.001 s^-1附近时, 较佳的变形温度范围为870～960 ℃。

图4为应变速率为0.1 s^-1时, 不同变形温度下TC11钛合金的金相组织。从图4可以看出, 当变形温度低于1008 ℃, 即在 (α+β) 两相区变形时, 随变形温度的升高, α相所占比例下降, 当变形温度从780 ℃升高至960 ℃时, α相所占的比例由50.6%降低至37.7% (图4 (a) , (b) ) 。对照图3 (a) , 图4 (a) 可知, 当变形温度780 ℃时, 应变速率0.001和0.1 s^-1时的变形组织相差不大; 而当变形温度960 ℃, 应变速率0.001和0.1 s^-1时的变形组织却相差很多 (图3 (b) , 图4 (b) ) , 应变速率为0.1 s^-1时, 组织并未出现粘连现象, 这主要是由于变形时间较短, 未能引起α相的聚集。当变形温度为1080 ℃时 (图4 (c) ) , 变形处于β单相区, 变形组织均为β转变组织。从图4 (c) 可以看出, 应变速率为0.1 s^-1时, β晶粒发生明显的动态再结晶, 且再结晶晶粒较为均匀, 平均晶粒尺寸约为35 μm。同时, 通过对应变速率0.01 s^-1时的显微组织进行观察分析可知, 相应温度下的组织与0.1 s^-1时的基本一致。由于动态再结晶可以重建显微组织结构, 是一种有益的变形机制, 因此, 在β单相区变形 (即β加工) 时, 应变速率处于0.01～0.1s^-1范围更为适宜。

图3 应变速率为0.001 s-1时, 不同变形温度对TC11钛合金组织的影响Fig.3 Microstructures of titanium alloy TC11 specimens deformed at strain rate 0.001 s-1 and different temperatures

(a) 780℃; (b) 960℃; (c) 1080℃

图5为应变速率1 s^-1时, 不同变形温度下TC11钛合金的金相组织。从图5可以看出, 当变形温度低于1008 ℃, 即在 (α+β) 两相区变形时, 随变形温度的升高, α相所占比例同样会下降。当变形温度从780 ℃升高至960 ℃时, α相所占的比例由66.2%降低至38.1%, 且组织中有条状α相存在 (图5 (a) , (b) ) 。当变形温度为1080 ℃时 (图5 (c) ) , 变形处于β单相区, β晶粒的尺寸和形状均发生变化, β晶粒被压扁, 沿着垂直于压缩轴线方向被拉长, 变形主要表现为晶间的局部变形, 在晶界上有少量的动态再结晶晶粒; 这主要是由于应变速率较大时, 没有足够的时间进行动态再结晶, 只能在晶界上畸变能较大的区域, 发生动态再结晶, 这些动态再结晶晶粒与未发生再结晶的晶粒尺寸相差很大, 晶界处动态再结晶晶粒平均尺寸约33 μm, 而未再结晶晶粒尺寸约220 μm, 易导致力学性能不均匀, 这样的组织对锻件的性能不利 ^[10,11,12] 。