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稀有金属 2017,41(01),1-7 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy15072701
TA17钛合金热力学行为及加工特性研究
于辉 刘帅帅 刘利刚 任万波 李军
燕山大学机械工程学院
燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心
鞍钢集团钒钛(钢铁)研究院钒钛资源综合利用国家重点实验室
摘 要：
为了研究TA17钛合金热轧条件下的高温变形行为及热加工特性,在热模拟机上开展变形温度为700~1100℃、应变速率为1~40 s~(-1)条件下的热压缩实验,建立基于Arrhenius模型的本构方程,以及应变分别为0.3和0.6时的热加工图,结合热变形显微组织分析,研究该合金的热塑性变形机制。结果表明:TA17钛合金流变应力随着变形温度的升高而降低,随着应变速率的升高而升高。在温度为800~1000℃、应变速率为1~10 s~(-1)时,材料的变形机制主要为动态再结晶;温度为1000~1100℃、应变速率为1~10 s~(-1)时,材料发生动态回复;温度为700~800℃或1000~1100℃、应变速率大于20 s~(-1)时,材料产生绝热剪切带;温度为700~800℃,应变速率为1~5 s~(-1)时,材料易产生裂纹。得出该合金较优的热轧工艺参数为:变形温度800~1000℃,应变速率1~10 s~(-1)。
关键词：
TA17钛合金 ;热变形 ;流变应力 ;本构方程 ;热加工图 ;
中图分类号： TG146.23
作者简介： 于辉(1974-),男,山东泰安人,博士,教授,研究方向:金属材料塑性加工形变行为及控制;电话:0335-8057013;E-mail:yuhui@ysu.edu.cn;
收稿日期： 2015-08-03
基金： 国家自然科学基金项目(51275445)资助;
Hot Mechanical Behavior and Deformability of TA17 Titanium Alloy
Yu Hui Liu Shuaishuai Liu Ligang Ren Wanbo Li Jun
School of Mechanical Engineering,Yanshan University
National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling, Yanshan University
State Key Laboratory for Comprehensive Utilization of Vanadium and Titanium Resources,Ansteel Research Institute of Vanadium & Titanium ( Iron & Steel)
Abstract：
In order to study the hot deformation behavior and its deformability of TA17 titanium alloy during hot rolling,the hot compression experiments were carried out in the conditions of 700 ~ 1100 ℃ deformation temperatures and 1 ~ 40 s~(-1)strain rates on the thermal simulator. According to the experiment results,the constitutive equation based on the Arrhenius model and the processing maps at strain of 0. 3 and 0. 6 were established; combined with the microstructure analysis of hot deformation,the hot plastic deformation mechanism of the alloy was researched. The results showed that the flow stress of TA17 titanium alloy decreased with the increase of deformation temperature,while increased with the increase of strain rate. The deformation mechanism was mainlydynamic recrystallization at the deformation temperature of 800 ~ 1000 ℃ and the strain rate of 1 ~ 10 s~(-1). At the deformation temperature of 1000 ~ 1100℃ and the strain rate of 1 ~ 10 s~(-1),dynamic recoveryoccurred. When the deformation temperature was in the range of 700 ~ 800 ℃ or1000 ~ 1100 ℃ and the strain rate was greater than 20 s~(-1),the adiabatic shear band occurred. When the deformation temperature was in the range of 700 ~ 800 ℃ and the strain rate was at the range of 1 ~ 5 s~(-1),the crack was produced easily. Thus the optimum hot rolling processing parameters were deformation temperature of 800 ~ 1000 ℃ and strain rate of 1 ~ 10 s~(-1).
Keyword：
TA17 titanium alloy; hot deformation; flow stress; constitutive equation; processing map;
Received： 2015-08-03
钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐蚀性强、耐高低温和焊接性良好等性能,在航空、航天、化工、冶金、海洋工程及生物医用等领域得到广泛应用
[1 ,2 ,3 ]
。TA17钛合金(名义成分为Ti-4Al-2V)是一种近α型三元钛合金,主要产品为板材、锻件和线棒材
[4 ]
,该合金焊接性能和抗水腐蚀性能优良
[5 ]
,静力和循环强度较高
[6 ]
,热处理对合金的强度、塑性影响不大
[7 ]
,广泛应用于大型舰艇的构件制备上
[8 ]
,国内外都十分重视其应用研究,以提高舰船设备运行的可靠性和使用寿命
[9 ,10 ]
。但TA17钛合金导热性差,高温易氧化,热成形加工难度较大,容易出现开裂,组织均匀性差等问题
[11 ]
。目前对该合金的研究多集中在合金成分设计、高温热稳定性、蠕变抗力等方面,而对热加工工艺、组织和性能之间关系的高温热变形行为研究尚鲜见公开报道。
本文针对TA17钛合金板材热轧过程经常出现的表面裂纹问题,开展高温变形行为及热加工特性的实验研究,寻求最优热轧工艺窗口。参考现场热轧的工艺参数来确定热模拟条件,在Gleeble-3800热模拟实验机上开展TA17钛合金的热压缩实验,建立TA17钛合金热变形的本构方程和基于动态材料模型(DDM)的热加工图,结合组织分析确定该合金在不同变形条件下的变形机制,以便确定合理的热轧工艺窗口,为有效控制表面裂纹提供理论参考。
1实验
试样取自TA17钛合金锻造坯料,化学成分见表1,试样尺寸为Φ10 mm×15 mm的圆柱体,其上下两端面粗糙度值要求小于0.4μm,试样的原始组织为魏氏组织(图1)。在热模拟机上进行等温恒应变速率热压缩实验,变形温度为700,800,900,1000,1100℃,应变速率为1,5,10,20,40 s-1 ,最大变形量为0.6。热压缩变形结束后水淬以保留高温组织,金相试样要求待观察表面粗糙度值小于0.2μm并抛光,用kroll试剂(HF∶HNO3 =3∶7)腐蚀后观察显微组织。
表1 TA17钛合金的化学成分Table 1Chemical composition of TA17 titanium alloy(%,mass fraction) 下载原图
表1 TA17钛合金的化学成分Table 1Chemical composition of TA17 titanium alloy(%,mass fraction)
图1 TA17钛合金的原始组织Fig.1 OM image of original structure of TA17 titanium alloy
2结果与讨论
2.1真应力-真应变曲线
图2是TA17钛合金在不同应速率、不同温度时热压缩的真应力-真应变曲线。
由图2可见,TA17钛合金是一种温度敏感型和速率敏感型材料,流变应力随着温度的升高或应变速率的降低而逐渐降低。在变形温度800~1000℃之间曲线有明显的应力峰值而发生动态再结晶,温度高于1000℃时曲线无应力峰值而产生动态回复。这是因为TA17钛合金的相变温度为975℃,温度为700~900℃时呈密排六方结构,属于低层错能结构,材料的动态再结晶临界值较低,且密排六方的滑移系较少,此时畸变能很容易积累到再结晶临界值。温度高于1000℃时,TA17钛合金呈体心立方结构属于高能层错结构,材料的再结晶临界值较高,且体心立方滑移系多,此时畸变能难以积累到动态再结晶临界值,故温度高于1000℃时该合金难以发生动态再结晶。
2.2本构方程的建立
采用Arrhenius模型
[12 ]
来描述TA17钛合金本构关系:
式中-1 );A和α为与材料相关的常数;Q为变形激活能(J·mol-1 );R为摩尔气体常数(8.314 J·mol-1 ·K-1 );T为热变形温度(K);n为应力指数。
根据热压缩实验取不同条件下的流变应力峰值,进行线性回归,得到-1 。同时可得到-1 。
图2 TA17钛合金不同变形条件的应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of TA17 titanium alloy at different temperatures
(a)1 s-1 ;(b)5 s-1 ;(c)10 s-1 ;(d)20 s-1 ;(e)40 s-1
图3 峰值应力与应变速率的关系Fig.3 Relationships between peak stress and strain rate
图3 峰值应力与应变速率的关系Fig.3 Relationships between peak stress and strain rate
材料在高温塑性变形时应变速率受热激活过程控制,应变速率与温度之间的关系可用Z参数表示:
Z的物理意义是温度补偿变形速率因子,对式(2)两边取对数,可得:
根据式(3)进行线性回归,得到ln[sinh(ασ)]-ln Z关系如图5所示,分析得到n值为4.47,A值为1.868×1029 。将求得的相关参数代入式(1),得到TA17钛合金流变应力本构方程为:
2.3 TA17钛合金的热加工图
热加工图可以分析和预测材料在热加工中潜在的流变失稳区,描述给定区域的微观变形机制
[13 ]
,根据动态材料模型(DMM)理论
[14 ]
和Murty失稳评判准则
[15 ]
,对材料的可加工性进行评估,以便确定材料最佳变形工艺参数范围。在材料的热加工过程中,单位体积内所吸收的功率(P)由材料塑性变形消耗的能量(G)和材料在变形过程当中组织转变消耗的能量(J)组成,即:
图5 ln[sinh(ασ)]-ln Z的关系曲线Fig.5 Relationships between ln[sinh(ασ)]-ln Z
在热变形过程中,描述材料功率耗散特征的参数(η)被称为功率耗散因子,由耗散协量J和材料处于理想线性耗散状态的Jmax 比值来确定,即:
式中:m为应变速率敏感性指数,
DMM模型引用不可逆热动力学的极大值原理作为材料流变失稳的判据,即:
图6(a)和(b)是TA17钛合金应变量分别为0.3和0.6的热加工图,图中等高线上的数值代表功率耗散因子,阴影部分为热加工失稳区。由图6(a)和(b)可以看出,该合金的失稳区覆盖了热加工图应变速率较高的部分,说明该合金在高应变速率下易发生失稳。当应变量由0.3增加到0.6后,失稳区的面积有所增加,但向低应变速率扩展的幅度不大。当应变速率超过20 s-1 时材料都会发生失稳,当应变速率低于20 s-1 时,在低温高应变速率
也会发生失稳。安全区温度范围为850~1000℃,应变速率小于10 s
-1 区域。
图6 TA17钛合金的热加工图Fig.6 Hot processing maps of TA17 titanium alloy
(a)ε=0.3;(b)ε=0.6
以图6(b)应变量为0.6时的加工图进行分析,根据功率耗散因子和失稳区的特点,可将加工图分为四个区域,如图7所示:A区为加工图中上部的能耗因子峰值区,温度为800~950℃,应变速率为4~40 s-1 ;B区为加工图右上角的能耗因子谷区和失稳复合区,温度为950~1100℃,应变速率为4~40 s-1 ;C区为加工图左上角的能耗因子谷区和失稳复合区,温度为700~850℃,应变速率为3~40 s-1 ;D区为能耗因子平滑区,温度为700~1100℃,应变速率为1~5 s-1 。
A区为能耗因子峰值区,由加工图可见,在该区域应变速率大于15 s-1 时的高应变速率部分被失稳区覆盖,说明该条件下易出现加工失稳,当应变速率小于15 s-1 时具有较好的热加工性。B区和C区都为能耗因子谷区和失稳复合区域,由加工图可以看到,两处区域能耗因子下降较快,且基本全被加工失稳区覆盖,说明这两处区域热加工性能较差,易出现加工失稳现象。D区为能耗因子平滑区,由加工图可见,该区的等值线比较稀疏,能耗因子值比较均匀,高温区和低温区都未被失稳区所覆盖,说明该区热加工性能良好。
2.4组织分析
图8为不同工艺参数下的显微组织,结合图2和6分析可知,在非失稳区,当温度为800~1000℃、应变速率为1~5 s-1 时,能耗因子在0.36~0.55范围内,材料易发生动态再结晶,此时片层α受力后扭折、弯曲,β相楔入α界面将片层α分成小片层,小片层积累了较高畸变能而发生等轴球化。由图8(a~d)可以明显看出组织中的球化颗粒,并且随着温度的升高,再结晶晶粒数量有所增加,均匀性更好;随着应变速率的增加,再结晶晶粒数量减少,组织中出现片层α,片层α随应变速率增加,弯折程度增加。
图7 应变量为0.6时TA17钛合金加工图的分区示意图Fig.7 Partition sketch map for processing map of TA17 titani-um at strain of 0.6
图8 TA17钛合金的球化组织和片层组织Fig.8 Spheroidized structure and lamellar structure of TA17 titanium alloy
图8 TA17钛合金的球化组织和片层组织Fig.8 Spheroidized structure and lamellar structure of TA17 titanium alloy
图8(e)和(f)是应变速率为10 s-1 的显微组织,由图8(e)可以看出温度为800℃、应变速率为10 s-1 的显微组织是片层状α,此时有一部分晶界α未破碎,随着温度升高,晶界α完全破碎,晶内α束集扭曲程度增加。
由于钛合金的导热性差,热量在材料内部积累易形成局部高温区,随着变形量增加,最终表现为塑性失稳,形成热剪切带和开裂等
[16 ]
,绝热剪切带一般出现在低温、高应变速率区域
[17 ]
,且带有方向性,一般剪切带与压缩方向成45°角
[18 ]
。图9(a)是温度为700℃、应变速率为10 s-1 时的绝热剪切带,此处能耗因子小于0.15,图9(b)是温度为1100℃、应变速率为10 s-1 时的绝热剪切带,此处能耗因子小于0.2。
材料在低温时塑性变形性能较差,导致试样表面在变形过程中容易形成微裂纹,进而产生开裂。图10是温度为700℃、应变速率为1 s-1 时,热压缩试样鼓肚区域产生的裂纹,裂纹的方向与径向平行,此处能耗因子小于0.2。
3结论
1.TA17钛合金的流变应力取决于变形温度和应变速率,在同一变形温度下,流变应力随着温度的升高而降低,在同一应变速率下,流变应力随着应变速率的升高而升高。
图9 TA17钛合金的热剪切带Fig.9 Adiabatic shear band of TA17 titanium alloy
图9 TA17钛合金的热剪切带Fig.9 Adiabatic shear band of TA17 titanium alloy
图1 0 TA17钛合金的开裂Fig.10 Crack of TA17 titanium alloy
2.根据TA17钛合金在温度为700~1100℃、应变速率为1~40 s-1 时的热变形行为,推导出TA17钛合金本构方程为:
3.根据构建的TA17钛合金热加工图,结合显微组织分析,得到该合金的热加工安全区域是800~1000℃,1~10 s-1 。温度越高,动态再结晶晶粒数量越多,组织越均匀,随着应变速率增加,组织有向片层组织转化的趋势。
4.TA17钛合金的流变失稳区域为700~800℃,5~40 s-1 和1000~1100℃,10~40 s-1 ,在该区域易形成热剪切带。在变形温度为700~800℃,应变速率为1~5 s-1 时,材料表面容易产生裂纹。因此,在TA17钛板热轧道次工艺设定时需要避开上述区域。
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