TC18合金板材热变形组织演变及其软化机制的研究_卢金武.pdf

第 39 卷第 3 期2023 年 6 月湖南有色金属HUNAN NONFEOUS METALS作者简介:卢金武(1986)，男，工程师，主要从事有色金属压延加工工作。TC18 合金板材热变形组织演变及其软化机制的研究卢金武，张少辉，范晓杰，王磊(西安庄信新材料科技有限公司，陕西 西安710018)摘要:采用 Gleeble 3800 热模拟试验机对 TC18 合金进行压缩试验，模拟 TC18 合金板材的轧制过程。结果表明:当形变温度低于相转变温度时，高应变速率下 TC18 合金的组织中条状 相球化程度较低，相被拉长，扭曲;当形变温度高于相转变温度时，高应变速率下 TC18 合金的组织中动态再结晶不完全，部分原始 晶粒沿与压缩轴垂直方向拉长，观察到不完整的平直的 晶界。通过分析峰值应力与变形温度曲线和动态软化曲线，在 TC18 合金在热变形时，最佳变形区为 +两相区。关键词:TC18 合金;热变形;组织演变;动态再结晶;软化机制中图分类号:TG316文献标识码:A文章编号:1003 5540(2023)03 0061 04TC18 合金(BT22，Ti 5V 5Mo 1Cr 1Fe 5Al)是一种高合金化的近 合金，其具有高韧性，高强度，优良的塑性、淬透性、锻透性，良好的焊接性，中高温使用性能，可适用于多种焊接手段等特点，被适用于航空航天领域大型承载部件用材料(如:飞机起落架、机翼、机身、350 400 长期工作的发动机风扇盘和叶片等关键零件)1 3。受制于其 HCP 晶体结构和“三高”特性的限制，其板材在高温下变形温度高，加工范围窄，变形容易开裂等技术难题，国内外对 TC18 合金板材轧制技术的研究基本处于摸索阶段4 5。采用 Gleeble 3800 热模拟试验机对 TC18 合金进行等温恒应变速率多道次循环压缩试验方式，以模拟 TC18 合金板材轧制过程，研究 TC18 合金板材轧制过程中的组织结构演变和热变形行为，分析热加工参数与板材成形的影响机制以及板材轧制过程中的软化机制。1试验材料与方法1.1试验材料试验用原材料为 500 mm 300 mm 65 mm(长 宽 高)的 TC18 合金锻坯，合金的化学成分见表1。经单相区开坯锻造后，测得该合金的 相转变温度(T)为 870 880 左右。原始显微组织如图 1 所示。由 1 图可知，原始组织主要由晶内板条状 相，晶界分布的 相和 转变组织组成。原始 晶粒尺寸约为 180 m，晶内 相的板条厚度约为2 m，部分 相板条呈一定取向平直并列分布。表 1合金的化学成分%元素AlVMoCrFeTi含量5.375.215.381.201.36余量图 1锻态 TC18 合金原始显微组织(a)OM;(b)SEM1.2试验方法采用 Gleeble 3800 热模拟试验机进行等温热模拟多道次循环压缩试验，首先，以线切割方式从TC18 合金锻坯上沿锻坯法线方向取得圆柱体形态的试样;其次，打磨试样;最后，对圆柱体试样端部进行平滑处理。试样两端采取石墨润滑措施，变形过程在真空条件下进行，计算机自动控制全部的热变形过程。具体设计的试验参数如下:变形温度:700、740、780、820、860、900、940、980;应变速率:0.001/s、1/s;变形道次:4 道;总变形量:70%(25%、20%、15%、10%);升 温 速 率:16湖南有色金属第 39 卷10 /s;保温时间:1 min;冷却方式:水淬。2试验结果与讨论2.1变形工艺参数对流动应力的影响流动应力 应变曲线不仅可以有效反映流变应力与变形条件之间的内在关系，而且也是材料内部组织演变的宏观表现。TC18 合金在不同应变速率和变形温度下的流动应力 应变曲线如图 2 所示。图 2不同应变速率下 TC18 合金热变形时的流动应力 应变曲线(a)0.001/s;(b)1/s由图 2 可知:1.在变形温度和应变速率一定的条件下，虽然TC18 合金的每道次变形过程中，发现期初流动应力随应变的增加而极速增大，达到峰值后又随应变的增加缓慢降低，但是，当总应变达到一定数值后，流动应力 应变曲线形态趋于水平。2.在不同的应变速率条件下，当变形温度小于860 时，TC18 合金的流动应力达到峰值后，随应变的增加而显著的降低，变形过程基本处于过渡态阶段，而当变形温度大于等于 860 时，合金的流动应力在达到峰值后经快速小幅度降低后与应变达到平衡，呈稳态特征。3.在应变速率一定的条件下，TC18 合金的流动应力随着变形温度的增加而明显下降，可知，变形温度是流变应力的主要影响因素。一般情况下，随着变形温度增加，原子运动剧烈，晶体内发生位错运动、滑移等所需的能量减小;同时，动态再结晶、动态回复和球化等软化机制的启动，TC18 合金发生了软化现象。2.2热变形过程中的组织演变规律合金在热加工变形过程中，其宏观形态和尺寸不仅发生变化，而且内部组织也随之发生变化。合金的组织形态主要取决于其合金成分组成、加工工艺参数等。在热变形过程中，合金组织将发生一系列动态、静态回复，再结晶以及晶粒长大过程6 7。因此，分析加工工艺参数与热变形行为之间的关系，通过优化加工工艺可实现对合金显微组织的有效调控，从而实现合金性能的优化。2.2.1形变温度对 TC18 合金显微组织的影响由图 2 TC18 合金的真应力 真应变曲线可知，在应变速率不变的条件下，流动应力在不同的形变图3应变速率为0.01/s，4 个道次变形，总变形量为70%，不同形变温度下 TC18 合金的显微组织(a)、(b)700;(c)、(d)780;(e)、(f)860;(g)、(h)940 26第 3 期卢金武，等:TC18 合金板材热变形组织演变及其软化机制的研究温度所呈现不同的流变特性，因此，在研究形变温度对组织演变规律的影响时，需选择低应变速率(0.01/s)和高应变速率(1/s)下的显微组织进行分析。TC18 合金在应变速率为 0.01/s，4 个道次变形，总变形量为 70%，不同形变温度下的显微组织如图3 所示，TC18 合金在应变速率为 1/s，4 个道次变形，总变形量为 70%，不同形变温度下的显微组织如图4 所示。当形变温度低于 TC18 合金的相转变温度(870 880)时，其组织主要由球化及条状 相和 转变组织构成。随形变温度的升高，相球化程度增强，且含量增加，而条状 相含量减少，但条状 相的长宽比增加。当温度接近 TC18 合金相变点附近时，会发现有少量 再结晶晶粒，此时 相开始向 相转变。当形变温度高于 TC18 合金的相变点时，合金的显微组织中存在大量完整的再结晶晶粒，随形变温度的升高，晶粒开始长大。图4应变速率为1/s，4 个道次变形，总变形量为70%，不同形变温度下 TC18 合金的显微组织(a)、(b)700;(c)、(d)780;(e)、(f)860;(g)、(h)940 形变温度对 TC18 合金显微组织的影响主要体现在 相和 相组织形貌，尺寸、相占比以及金属流动方向等方面。当形变温度低于相转变温度时，高应变速率下合金的组织中条状 相球化程度较低，相被拉长、扭曲。当形变温度高于相转变温度时，高应变速率下合金的组织中动态再结晶不完全，部分原始 晶粒沿与压缩轴垂直方向拉长，观察到不完整的平直的 晶界。2.2.2应变速率对 TC18 合金显微组织的影响形变温度为 780，4 道次变形，总变形量为70%，不同应变速率下 TC8 合金的显微组织如图 5所示。由图 5 可知:变形温度在相变点之下热变形时，TC18 合金的变形组织由原始的板条状组织转变为球化组织，并随着应变速率越大，变形越不均匀。当应变速率为 1/s 时，可以看到边界模糊扭曲分布的条状 相;当应变速率为0.01/s 时，变形组织中 相的球化程度较高，条状 相较少。通过分析认为在应变速率较低时，变形过程所需的时间较长，在一定温度的条件下，相得到了充分的球化;在应变速率较高时，晶粒内和晶界变形不一致，产生位错聚图5形变温度为780，4 个道次变形，总变形量为70%，不同应变速率下TC18 合金的显微组织(a)、(b)0.001/s;(c)、(d)0.01/s;(e)、(f)0.1/s;(g)、(h)1/s36湖南有色金属第 39 卷集，导致了局部应力集中，条状 相断裂，在断裂处发生少量 相的球化。形变温度为 940，4 个道次变形，总变形量为70%，不同应变速率下 TC18 合金的显微组织如图 6所示，由图 6 可知:TC18 合金在相变点以上进行热变形时，其变形组织由原始的板条状组织转变为等轴组织，且 晶粒内部析出大量针状六方马氏体相()。当应变速率为 1/s 时，相沿变形方向被压扁，没有发现再结晶晶粒;当应变速率为 0.1/s 时，变形组织以变形晶粒为主。当应变速率为 0.01/s和 0.001/s 时，原始组织晶界已破碎，且有大量再结晶晶粒和呈锯齿状的组织，分析认为在低应变速率下，发生了动态再结晶，相再结晶程度就越高。图6形变温度为940，4 个道次变形，总变形量为70%，不同应变速率下 TC18 合金的显微组织(a)、(b)0.001/s;(c)、(d)0.01/s;(e)、(f)0.1/s;(g)、(h)1/s2.3合金变形的软化机制分析TC18 合金热循环模拟压缩变形时的峰值应力与变形温度的变化关系曲线如图 7 所示。由图 7 可知，应变速率一定的条件下，随着变形温度的升高，峰值应力开始显著降低，变形温度接近相变点后，其峰值应力开始趋于稳定。不同变形条件下的 TC18合金的软化程度(=p 0.8)如图 8 所示，由图 8可知，TC18 合金在热变形时，在相变点附近，也就是说在两相区内，其软化程度远高于单相区。分析认为在 +两相区，由于 相自身的密排六方结构，有效阻碍位错的运动，为回复、再结晶等软化机制的开动储能能量;另一方面，伴随着 相转变为 相的过程，相为体心立方结构，相比 相的密排六方结构，其滑移系较多，高扩散系数，以动态回复为主要变形机制8 10。图 7TC18 合金峰值应力 变形温度曲线图 8TC18 合金动态软化曲线3结论1.通过热模拟压缩试验发现，在一定的变形温度和应变速率条件下，TC18 合金变形初期的流动应力随着变形的增加而增大，快速达到峰值后，缓慢降低，当应变超过一定值后，流变应努力和应变曲线趋于水平，呈稳态流动特征，在不同的应变速率条件下，变形温度小于 860 时，TC18 合金的流动应力达到峰值后随之显著降低，变形过程基本处于过渡态阶段，而当变形温度大于等于 860 时，合金的流动应力达到峰值后经快速小幅降低后与应变达到平衡，呈稳态流动特征。(下转第 98 页)46湖南有色金属第 39 卷correction results of standard relative sensitivity factor(stdSF)provided by the instrument.The resuts showed thatthe semi-quantitative analysis of the 30 impurity elements in ytterbium oxide could be achieved without standard.Theproposed method was compared with the national standard method，absolute value of the relative deviation less than30%.Key words:direct current glow discharge mass spectrometry(DC-GDMS);high purity ytterbium oxide;semi-quantitative analysis;impurity element(上接第 64 页)2.当形变温度低于相转变温度时，高应变速率下合金的组织中条状 相球化程度较低，相被拉长、扭曲。当形变温度高于相转变温度时，高应变速率下合金的组织中动态再结晶不完全，部分原始 晶粒沿与压缩轴垂直方向拉长，观察到不完整的平直的 晶界。3.TC18 合金热加工过程中，+两相区的软化程度明显大于单相区，且在 +两相区变形时，软化机制包括动态回复、动态再结晶等，而在 单相区时，动态回复成为其主要变形机制。参考文献:1于兰兰，毛小南，赵永庆，等.热变形行为与 BT22 合金的组织演变J.稀有金属材料与工程，2017，36(3):505 508.2Bao-Hua Jia，Wei-Dong Song，Hui-Ping Tang.Hot deformationbehavior and constitutive model of TC18 alloy during compression J.AE METALS，2014，33(4):383 389.3颜孟奇，陈立全，杨 平，等.热变形参数对 TC18 合金 相组织及织构演变规律的影响J.金属学报，2021，57(5):880 890.4周晓舟，易丹青，刘会群，等.显微组织对 TC18 合金高温力学性能的影响J.热加工工艺，2016，45(6):98 101.5谢鑫，孙前江，彭嘉豪，等.TC21 合金热变形行为J.中国有色金属学报，2020，30(9):2 048 2 058.6朱堂葵，王柯.TA19 合金高温变形热加工图构建和微观组织演变 J.钛工业进展，2021，38(2):1 6.7陈缇萦，聂西安，易丹青，等.TC18 合金高温变形行为与加工图 J.金属焊接技术，2012，41(21):24 28.8颜孟奇，陈立全，杨平，等.热变形参数对 TC18 合金 相组织及织构演变规律的影响 J.金属学报，2021，57(7):880 890.9李斌.航空用合金 TC18 板材轧制工艺研究 D.西安:西安建筑科技大学，2019.收稿日期:2022 12 28Microstructure Evolution and Softening Mechanism of Thermal DeformationTC18 Titanium Alloy SheetLU Jinwu，ZHANG Shaohui，FAN Xiaojie，WANG Lei(Xi an Join New Materials Technology Co.，Ltd.，Xi an 710018，China)Abstract:The Gleeble-3800 thermal simulation testing machine was used to simulate the rolling process of TC18alloy.The results indicate that when the deformation temperature is lower than the phase transition temperature，thespheroidization degree of strip phase in the microstructure of high strain rate alloy is low，and the phase iselongated and twisted.When the deformation temperature is higher than the phase transition temperature，the dynamicrecrystallization of the alloy structure at high strain rate is incomplete.By analyzing the peak stress and deformationtemperature curve and the dynamic softening curve，when TC18 titanium alloy is hot deformed，the optimal deformedzone is +phase zone.Key words:TC18 titanium alloy;thermal deformation;microstructure evolution;dynamic recrystallization;softeningmechanism89