隨著航(hang)空、航(hang)天等發動(dong)(dong)機(ji)對性(xing)能(neng)要求的(de)(de)(de)不斷提(ti)(ti)高(gao)(gao)，對高(gao)(gao)溫(wen)結(jie)構材(cai)料的(de)(de)(de)性(xing)能(neng)也提(ti)(ti)出了(le)更(geng)(geng)高(gao)(gao)要求：即“更(geng)(geng)強、更(geng)(geng)剛、更(geng)(geng)耐(nai)熱(re)(re)和(he)(he)(he)(he)更(geng)(geng)輕”[1-2]。Ti60高(gao)(gao)溫(wen)鈦(tai)合(he)金是(shi)由(you)中科院金屬研究所和(he)(he)(he)(he)寶鈦(tai)集團聯合(he)研制的(de)(de)(de)一(yi)種600℃用近α型高(gao)(gao)溫(wen)鈦(tai)合(he)金。相(xiang)對于(yu)(yu)其他高(gao)(gao)溫(wen)鈦(tai)合(he)金，由(you)于(yu)(yu)Ti60合(he)金在合(he)金化時加入了(le)0.85%Nd，形成了(le)富含Nd、Sn和(he)(he)(he)(he)O的(de)(de)(de)稀土相(xiang)，降低(di)基體中氧含量，起到了(le)凈(jing)化基體、改善合(he)金穩定性(xing)的(de)(de)(de)作用[3-5]。因此除了(le)有(you)較高(gao)(gao)的(de)(de)(de)使用溫(wen)度(du)(du)、低(di)密度(du)(du)和(he)(he)(he)(he)高(gao)(gao)強度(du)(du)等優(you)點，它(ta)還具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的(de)(de)(de)熱(re)(re)強性(xing)和(he)(he)(he)(he)熱(re)(re)穩定性(xing)[5]。它(ta)的(de)(de)(de)應用可提(ti)(ti)高(gao)(gao)發動(dong)(dong)機(ji)的(de)(de)(de)推重比和(he)(he)(he)(he)飛機(ji)的(de)(de)(de)機(ji)動(dong)(dong)性(xing)能(neng)，是(shi)航(hang)空發動(dong)(dong)機(ji)高(gao)(gao)溫(wen)零部件的(de)(de)(de)新型候選材(cai)料之(zhi)一(yi)[6-8]。

鈦合(he)金(jin)(jin)熱變(bian)(bian)(bian)形(xing)溫度范圍窄(zhai)，變(bian)(bian)(bian)形(xing)抗力(li)大，難于成形(xing)形(xing)狀復雜(za)的精(jing)密鍛件。金(jin)(jin)屬在(zai)超(chao)塑性(xing)狀態(tai)下，可在(zai)較低(di)應力(li)下獲得大的變(bian)(bian)(bian)形(xing)，有(you)效精(jing)化(hua)鍛件，大幅度節約原材料，這(zhe)是Ti60近α鈦合(he)金(jin)(jin)成形(xing)復雜(za)零(ling)件的良好途徑。鑒于此，本(ben)文研究了Ti60合(he)金(jin)(jin)的超(chao)塑性(xing)能、超(chao)塑性(xing)成形(xing)工藝參數及組織演變(bian)(bian)(bian)過程，為該合(he)金(jin)(jin)的超(chao)塑性(xing)精(jing)密成形(xing)提供(gong)試(shi)驗(yan)依據(ju)。

1、實驗材料及方法

試驗用原材(cai)料(liao)為(wei)(wei)Ti60合金熱(re)軋棒(bang)材(cai)，其相(xiang)變點為(wei)(wei)1045℃，原始組織(zhi)如圖1所示。超(chao)塑性拉(la)伸試驗在CSS-1110C型非恒定應變速率(lv)電子拉(la)伸機(ji)上進行，夾頭移(yi)動速度在0.1～300mm/min內連續(xu)可調。超(chao)塑性拉(la)伸試樣(yang)為(wei)(wei)全國第二屆超(chao)塑性學術會議推(tui)薦(jian)的棒(bang)狀試樣(yang)，試樣(yang)標(biao)距部(bu)分的尺寸為(wei)(wei)準(zhun)5mm×15mm。

試(shi)驗(yan)過程(cheng)采用(yong)計算機控制，自動采集數據。試(shi)驗(yan)前在試(shi)樣(yang)上涂上FR5玻璃潤滑劑使(shi)其在加(jia)熱(re)及(ji)(ji)拉伸過程(cheng)中得到防護。試(shi)樣(yang)加(jia)熱(re)采用(yong)電阻爐，最(zui)高加(jia)熱(re)溫度(du)1100℃，工作區溫度(du)誤差≤±3℃。試(shi)樣(yang)拉斷(duan)(duan)后立即水淬(cui)以保留(liu)其高溫組織，然后取(qu)夾(jia)頭部分及(ji)(ji)斷(duan)(duan)口(kou)附近的(de)橫截面進行金(jin)相組織觀察。

2、試驗結果及分析

2.1拉伸溫度(du)對超塑性能的影(ying)響

鈦合金的最佳超塑性變形溫度與相變點溫度一般是有一定聯系的，通常最佳超塑性變形溫度都比相變點溫度低40～80℃[9]。故選定以0.005mm/s的恒定拉伸速度(初始應變速率為3.3×10^-4s^-1)，測(ce)定在940～1000℃內(nei)Ti60合(he)金(jin)的(de)(de)(de)(de)超塑性能。伸(shen)(shen)長(chang)率(lv)(lv)及(ji)流動(dong)應力(li)隨拉伸(shen)(shen)溫度(du)的(de)(de)(de)(de)變(bian)化規(gui)律如圖2所示(shi)。在940～1000℃內(nei)，材料(liao)均具有超塑性，伸(shen)(shen)長(chang)率(lv)(lv)在307%～527%之(zhi)間明顯變(bian)化。伸(shen)(shen)長(chang)率(lv)(lv)先(xian)隨溫度(du)升(sheng)高而增大，在980℃時達到最(zui)大值，δ=527%。隨溫度(du)繼續(xu)升(sheng)高，伸(shen)(shen)長(chang)率(lv)(lv)下(xia)降。以上結果表明，Ti60合(he)金(jin)的(de)(de)(de)(de)超塑性溫度(du)范圍(wei)較寬。如圖2(a)曲線(xian)所示(shi)，在940～980℃內(nei)，合(he)金(jin)伸(shen)(shen)長(chang)率(lv)(lv)隨溫度(du)的(de)(de)(de)(de)升(sheng)高，出現(xian)峰值，這主要是因為溫度(du)升(sheng)高可以提高原子(zi)的(de)(de)(de)(de)自由能，原子(zi)運動(dong)劇烈，物質(zhi)遷移速度(du)加(jia)快，促進(jin)晶界的(de)(de)(de)(de)滑移、位錯的(de)(de)(de)(de)運動(dong)和(he)擴散蠕變(bian)。但(dan)溫度(du)過高時，晶粒組(zu)織粗化，試(shi)樣表面氧化嚴重，影響超塑性能。

如圖2(b)曲線所(suo)示(shi)，流動應(ying)力隨溫(wen)(wen)(wen)度的(de)(de)升高(gao)而不斷減(jian)(jian)小(xiao)，但是在較高(gao)溫(wen)(wen)(wen)度范圍(wei)內(nei)流動應(ying)力隨溫(wen)(wen)(wen)度升高(gao)而減(jian)(jian)小(xiao)的(de)(de)趨(qu)勢減(jian)(jian)緩。隨溫(wen)(wen)(wen)度升高(gao)，激活能增大(da)，晶界滑移、原(yuan)子擴散等都更加容易進行，故(gu)而動態軟化(hua)效應(ying)增強。但在高(gao)溫(wen)(wen)(wen)區接(jie)近相變點(dian)時，細(xi)小(xiao)的(de)(de)α相(密排六方結構(gou))消失(shi)，β晶粒長大(da)明顯，引起合(he)金的(de)(de)超(chao)塑性能下降，不利于軟化(hua)行為。

2.2拉伸應(ying)變速率對(dui)超(chao)塑性(xing)能的影響

應變速率對超塑性能也有重要影響。在最佳超塑性溫度980℃，分別以6.7×10^-5、3.3×10^-4、3.3×10^-3、3.3×10^-2s^-1的初始應變速率進行超塑性拉伸試驗，試驗結果如圖3所示。可看出，隨應變速率的變化，伸長率在220%～527%變化，伸長率先隨應變速率增大而增大，在初始應變速率為3.3×10^-4s^-1時，伸長(chang)率(lv)(lv)達到最(zui)大(da)(da)值(zhi)，δ=527%，隨應變(bian)速率(lv)(lv)繼續增大(da)(da)，伸長(chang)率(lv)(lv)下(xia)降。應變(bian)速率(lv)(lv)過(guo)(guo)(guo)大(da)(da)，位(wei)錯密(mi)度增加較快，位(wei)錯塞積(ji)，同(tong)時擴(kuo)散蠕(ru)變(bian)進(jin)行不充分，晶(jing)(jing)(jing)界滑移受阻，各種應力集中使(shi)試(shi)樣(yang)產生裂紋很(hen)快達到斷裂。反之，應變(bian)速率(lv)(lv)過(guo)(guo)(guo)小，試(shi)驗時間過(guo)(guo)(guo)長(chang)，氧(yang)(yang)化嚴(yan)重(zhong)(zhong)，且再(zai)結晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒長(chang)大(da)(da)嚴(yan)重(zhong)(zhong)，也會影響超塑(su)性。合(he)理(li)的應變(bian)速率(lv)(lv)使(shi)晶(jing)(jing)(jing)界滑移、擴(kuo)散以(yi)及動態再(zai)結晶(jing)(jing)(jing)等過(guo)(guo)(guo)程具有(you)足夠的時間完成(cheng)，在(zai)不致使(shi)晶(jing)(jing)(jing)粒過(guo)(guo)(guo)分長(chang)大(da)(da)及試(shi)樣(yang)過(guo)(guo)(guo)分氧(yang)(yang)化的情況下(xia)，促進(jin)超塑(su)性變(bian)形。

如圖3(b)所(suo)示(shi)，隨應(ying)(ying)變速率的(de)不斷變化，流動(dong)應(ying)(ying)力(li)有很大的(de)差(cha)別。最(zui)大應(ying)(ying)力(li)是最(zui)小應(ying)(ying)力(li)的(de)約(yue)4.6倍。

之(zhi)所以在較(jiao)高速率下(xia)流動應(ying)力(li)較(jiao)大也是因(yin)為在短時間內超塑性變形過程不能有效進行，應(ying)力(li)集中增大且來不及消除。

在一般情況下，材料超塑性變形的最佳應變速率小于10^-2s^-1，但應(ying)(ying)變(bian)(bian)速(su)率越(yue)大(da)，生產效率越(yue)高(gao)，因此提高(gao)超塑性(xing)變(bian)(bian)形的應(ying)(ying)變(bian)(bian)速(su)率也是(shi)發展超塑性(xing)技術的方向之一。

2.3超塑性拉(la)伸過程中(zhong)的(de)組織(zhi)演化

如圖1所示(shi)，棒(bang)材的(de)原始組(zu)織主(zhu)要是(shi)由(you)初(chu)生(sheng)等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)α相和β轉(zhuan)變(bian)組(zu)織組(zu)成，初(chu)生(sheng)等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)α相分布(bu)較均勻，尺寸約為30μm，β轉(zhuan)變(bian)組(zu)織中次生(sheng)α相交織分布(bu)。因是(shi)近α鈦合金，α相的(de)含量較多，等(deng)(deng)軸(zhou)(zhou)化程度較高。

圖4為Ti60合金在3.3×10^-4s^-1初(chu)始(shi)(shi)應(ying)變速率條件下(xia)(xia)，經940、960、980、1000℃超(chao)(chao)(chao)塑(su)(su)性(xing)拉(la)伸后試樣(yang)夾(jia)(jia)頭部(bu)(bu)分(fen)(fen)(fen)及(ji)斷口附近的(de)(de)(de)顯微組織(zhi)。可(ke)看出，超(chao)(chao)(chao)塑(su)(su)性(xing)拉(la)伸溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)、變形量(liang)、變形時(shi)間(jian)對顯微組織(zhi)的(de)(de)(de)影響規律(lv)。圖(tu)(tu)4(a)、(c)、(e)、(g)分(fen)(fen)(fen)別為(wei)不同溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)下(xia)(xia)試樣(yang)夾(jia)(jia)頭部(bu)(bu)分(fen)(fen)(fen)的(de)(de)(de)顯微組織(zhi)。在(zai)(zai)超(chao)(chao)(chao)塑(su)(su)性(xing)拉(la)伸過程中，試樣(yang)夾(jia)(jia)頭部(bu)(bu)分(fen)(fen)(fen)沒(mei)有變形，相(xiang)當于在(zai)(zai)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)條件下(xia)(xia)進行(xing)(xing)了長(chang)時(shi)間(jian)保溫(wen)(wen)(wen)(wen)。各圖(tu)(tu)對應(ying)的(de)(de)(de)拉(la)伸時(shi)間(jian)依次(ci)為(wei)2h47min、3h38min、4h23min、2h35min。隨溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)的(de)(de)(de)升高(gao)、保溫(wen)(wen)(wen)(wen)時(shi)間(jian)的(de)(de)(de)加長(chang)，在(zai)(zai)晶(jing)粒(li)長(chang)大的(de)(de)(de)同時(shi)等軸(zhou)化程度(du)提高(gao)，晶(jing)界出現圓弧化的(de)(de)(de)趨勢。從微觀(guan)角度(du)分(fen)(fen)(fen)析，溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)越高(gao)，激(ji)(ji)活能(neng)增(zeng)大，原(yuan)子(zi)運動激(ji)(ji)烈，有利于晶(jing)界的(de)(de)(de)滑移(yi)(yi)和(he)遷移(yi)(yi)；保溫(wen)(wen)(wen)(wen)時(shi)間(jian)越長(chang)，晶(jing)界滑移(yi)(yi)和(he)遷移(yi)(yi)進行(xing)(xing)得越充分(fen)(fen)(fen)。此外，對比原(yuan)始(shi)(shi)組織(zhi)(圖(tu)(tu)1)，這(zhe)四(si)個溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)下(xia)(xia)夾(jia)(jia)頭部(bu)(bu)分(fen)(fen)(fen)的(de)(de)(de)顯微組織(zhi)中，α相(xiang)的(de)(de)(de)含量(liang)似乎有所增(zeng)多，實(shi)際(ji)上這(zhe)與(yu)(yu)原(yuan)始(shi)(shi)初(chu)生α相(xiang)與(yu)(yu)β轉變組織(zhi)中的(de)(de)(de)次(ci)生α相(xiang)的(de)(de)(de)合并長(chang)大有關。

圖4(b)、(d)、(f)、(h)為不(bu)同溫(wen)度(du)下拉(la)伸試樣斷口附(fu)近的(de)(de)顯微組織(zhi)。斷口附(fu)近經(jing)歷(li)了高溫(wen)下大(da)變(bian)形的(de)(de)過(guo)程，各圖對應(ying)的(de)(de)伸長率(lv)依次為327%、433%、527%、307%。可看(kan)出，變(bian)形作用對顯微組織(zhi)影響很大(da)，組織(zhi)中沒有條(tiao)(tiao)狀(zhuang)α相出現。這(zhe)是因為金屬發(fa)生(sheng)大(da)的(de)(de)變(bian)形時，原始組織(zhi)中的(de)(de)條(tiao)(tiao)狀(zhuang)α相被破碎，在畸變(bian)能的(de)(de)驅動(dong)下發(fa)生(sheng)了動(dong)態再結晶球(qiu)化(hua)。比較圖4(b)、(d)、(f)、(h)可看(kan)出，隨溫(wen)度(du)升(sheng)高，顯微組織(zhi)中α相的(de)(de)含量逐漸(jian)減少(shao)(shao)，在1000℃下減少(shao)(shao)最為明(ming)顯。對于鈦合金，只有當(dang)組織(zhi)中的(de)(de)α相和(he)β相具有合適的(de)(de)比例(li)時，才能獲得更(geng)好的(de)(de)超(chao)塑性能。這(zhe)也是在980℃時材料超(chao)塑性能最好的(de)(de)主(zhu)要原因[10]。

3、結論

(1)Ti60合金在940～1000℃內以及在6.7×10^-5～3.3×10^-2s^-1應變速率范圍內，伸長率分別在307%～527%和220%～527%變化。所得最佳超塑性溫度為980℃，最佳初始應變速率為3.3×10^-4s^-1，在(zai)此條件(jian)下，伸長率達527%，流動(dong)應力僅為14.4MPa。

(2)在超塑性變(bian)(bian)形過程(cheng)(cheng)中，試(shi)樣夾頭部(bu)分的顯(xian)微組織變(bian)(bian)化不明(ming)顯(xian)，只是隨溫(wen)度升高(gao)、保溫(wen)時間加長，晶界趨向(xiang)圓弧化，晶粒球化程(cheng)(cheng)度提高(gao)且有一(yi)定(ding)長大。試(shi)樣斷口附近的顯(xian)微組織變(bian)(bian)化顯(xian)著，條狀α相被破碎，并發生動態再結晶球化。

(3)Ti60高(gao)溫鈦(tai)合(he)金具(ju)有較好的(de)(de)超(chao)塑性(xing)(xing)能，可用于航空復(fu)雜關鍵鍛件的(de)(de)超(chao)塑成形(xing)(xing)。本文所得超(chao)塑性(xing)(xing)能變化規律、最(zui)佳超(chao)塑性(xing)(xing)變形(xing)(xing)參數及流(liu)動(dong)應(ying)力數據等，對Ti60合(he)金超(chao)塑性(xing)(xing)精密成形(xing)(xing)具(ju)有理論意義和實用價值。

參考文獻:

[1]李(li)世瓊，張建偉，程云君，等．Ti3Al 和(he) Ti2AlNb 基金(jin)屬(shu)間化合(he)物結構材料研(yan)發(fa)現狀[J]．稀有金(jin)屬(shu)材料與工(gong)程，2005，34(s3)：104-109．

[2]Wang T，Li Z，Fu S H，et al ．Hot deformation behavior and microstructure of U720Li alloy [J]．Advanced Materials Research，2013，709：143-147．

[3]Wanjara P，Jahazi M，Monajati H ．Hot working behavior of near-α alloy IMI834[J]．Materials Science and Engineering A， 2005，396：50-60．

[4]魏壽庸，石衛民，王鼎春，等(deng)．600℃時(shi)高溫(wen)鈦合金(jin)(Ti60)的組織 與(yu) 力 學(xue)(xue) 性 能 [J]． 中 國 有 色 金(jin) 屬 學(xue)(xue) 報(bao) ，2010，200 (1)：801-806．

[5]賈蔚菊，曾衛東，俞(yu)漢(han)清，等．熱暴露對 Ti60 合金性(xing)能及(ji)斷裂行為的影響[J]．中(zhong)國有色(se)金屬學報，2009，19(6)：1032-1037．

[6]Sergueeva A V，Stolyarov V V，Valiev R Z，et al．Superplastic behaviour of ultrafine-grained Ti-6A1-4V alloys[J]．Materials Science and Engineering，2002，A323：318-325．

[7]Zhao Z L，Guo H Z ，Chen L，et al．Superplastic behaviour and microstructure evolution of a fine-grained TA15 titanium alloy [J]．Rare metals，2009，(5)：523-527．

[8]熊(xiong)愛明，黃維超，陳勝暉，等(deng)．高溫(wen)變形參數對 TC6 鈦合金微觀組織的(de)影(ying)響研(yan)究[J]．航空材料學報，2003，23(1)：11-15．

[9]黃禮平．鈦合金超塑性(xing)溫度與相轉變溫度的關(guan)系[J]．稀有(you)金屬，1993，17(6)：436-438．

[10]林(lin)兆(zhao)榮(rong)．金(jin)屬超塑(su)性成(cheng)形原理(li)及應用[M]．北京：航空工業出版社，1990．