文章编号：1004-0609(2010)S1-s0113-05

热变形参数对BTi-62421S合金微观组织及

性能的影响

张慧芳¹，张治民¹，张  星¹，李保成¹，马鸿海²

 (1. 中北大学 材料科学与工程学院，太原 030051；2. 宝钛集团有限公司 科技部，宝鸡721014)

摘  要：在Gleeble-3800热模拟实验机上对BTi-62421S合金铸态材料，在温度850～1 050 ℃、应变速率0.01～30 s^-1、变形程度70%条件下进行了等温恒应变速率压缩实验。通过金相分析，研究热变形参数(变形温度、应变速率)对BTi-62421S合金微观组织的影响。结果表明，变形温度和应变速率显著影响片层组织等轴化的程度，在β相变点以下，随着温度的升高，片层组织等轴化程度增大，组织更均匀。对变形后的试样做了硬度实验，结果表明合金的硬度开始随着温度的升高而升高，出现峰值后降低。

关键词：BTi-62421S合金；热变形；微观组织；硬度

中图分类号：TG 146.2　　     文献标志码：A

Effect of hot deformation parameters on microstructures and properties of BTi-62421S alloy

ZHANG Hui-fang¹, ZHANG Zhi-min¹, ZHANG Xing¹, LI Bao-cheng¹, MA Hong-hai²

 (1. College of Materials Science and Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China;

2. Department of Science and Technology, Baoti Group Co., Ltd., Baoji 721014, China)

Abstract: The compression test of BTi-62421S alloy was carried out at temperatures of 850-1 050 ℃, strain rates of 0.01-30 s^-1 and deformation of 70% by the Gleeble-3800 thermal-mechanical simulator. The effects of hot deformation parameters on microstructure of the alloy were investigated by optical microscopy. The results show that the equiaxial degree of lamellar structure is significantly affected by hot deformation parameters, including deformation temperature and strain rate. The deformation temperature and strain rate have significant effects on the equiaxial degree of lamellar structure. The phenomenon (the equiaxial degree of lamellar structure) is increased and the microstructure of alloy is more uniform with the temperature increasing below β phase transition point. Moreover, it can be also seen from hardness test that the hardness of the alloy increases firstly and then decreases with the temperature increasing.

Key words: BTi-62421S alloy; hot deformation; microstructure; hardness

钛合金具有高比强度、抗蠕变性能，耐高温和耐腐蚀性，是一种重要的金属结构材料，在航空航天等领域得到广泛的应用^[1-5]。然而，由于钛合金材料昂贵，变形加工困难，成形工艺复杂，导致了其制件成本较高^[6-7]。现在，有人提出由铸造坯料直接塑性变形成形复杂制件方案^[8]，可以节约原材料，简化工艺，减少能耗，从而降低钛合金制件的成本。

由于热变形工艺参数与微观组织演变之间的关系错综复杂^[9-11]，使得控制工件热成形过程中微观组织演变成为了实际生产需要解决的关键问题。此外，由铸坯直接成形工件, 其成形性及成形对产品性能的影响研究甚少，工艺制定上也缺少参考依据。为此本文作者研究热变形参数对BTi-62421S合金微观组织及力学性能的影响，为BTi-62421S合金塑性变形组织的控制和热变形工艺的制定提供参考。

1  实验

1.1  实验材料

实验所用材料为宝钛集团提供的新型近α高温钛合金BTi-62421S合金铸块, 该合金的β相转变点为  1 010 ℃。供货状态为热等静压，其化学成分见表1。

表1  BTi-62421S合金的化学成分

Table 1  Chemical compositions of BTi-62421S alloy (mass fraction, %)

BTi-62421S合金原始铸态组织(图1)是典型的魏氏组织，β晶粒非常粗大，呈等轴状，平均尺寸在2 mm左右，通过肉眼可以分辨；在原始β晶粒内部为平直的片层α，并按一定位向排列，原始β晶界清晰、完整。

图1  原始组织

Fig.1  Initial microstructure

1.2  实验方法

热模拟试样尺寸为d8 mm×12 mm, 实验在Gleeble-3800型热模拟实验机上进行，压缩温度为850、900、950、1 000和1 050 ℃，变形速率为0.01、0.1、1、10和30 s^-1，变形量为70%(真应变1.2)。实验加热速度为10 ℃/s，到温后保温5 min。压缩变形后立即水淬试样，以保持高温变形组织形态。

测得了不同变形条件下变形后试样的洛氏硬度值，再将试样沿轴线纵向剖开，制成金相试样。浸蚀剂用5%HF+12%HNO₃+83%H₂O溶液，在Image MAT A1数码显微镜下观察了金相组织。

2  结果与分析

2.1  成形性能

压缩变形后试样出现两种情况，在较低温度或较大应变速率时试样开裂，其它试样变形为鼓形。结合试样开裂情况，给出铸态BTi-62421S合金压缩变形—T—开裂关系图(图2)。可以看出，在850 ℃时，塑性变形能力差；900 ℃时，只能选择小的变形速率0.01 s^-1，以保证变形的顺利进行；当升高温度到950 ℃以上，基本没有热裂缺陷发生，并且还可以选择大的变形速率。 然而在实际加工过程中，考虑到设备能耗及生产效率，应选择中等应变速率。

图2  BTi-62421S合金压缩变形—T—开裂关系图

Fig.2  —T—crazing figure of BTi-62421S alloy compressing deformation

分析压缩实验结果可以看出，在本实验温度范围内，随变形温度的升高，BTi-62421S合金的塑性提高。这主要是因为在低温下，密排六方晶格的BTi-62421S合金滑移系数目有限，塑性变形困难；而在高温条件下，更多的滑移系被激活，塑性提高^[12]。

2.2  微观组织

变形温度对变形后微观组织的影响如图3所示。由图3可看到，随着温度的升高，微观组织形貌发生很大变化。在850 ℃变形时，微观组织形貌变化不是特别明显，只是片层α由于应力作用发生了扭曲；900 ℃时，片状α被压碎，开始出现等轴化现象，只是等轴化率较低；950 ℃时，片状α破碎程度加大，破碎晶粒增多，等轴化率增大；1 000 ℃时，其组织为细小、均匀的等轴组织。随着温度的升高，组织细小、均匀，这是动态再结晶的特点。在1 050 ℃变形时，温度高于β相变点，β相晶粒变得更粗大，变形组织由被压扁、拉长、粗大的β晶粒组成，粗大的晶粒内析出针状α，说明在变形过程中主要发生了动态回复，但也有少量动态再结晶。

研究表明^[13-15]，采用高温变形可以控制α相形态和最终的尺寸。经过变形后获得的细小等轴组织，具有较高的疲劳强度和塑性，目前采用最广泛，而这种组织只有在两相区变形才能得到。当变形温度超过β温度后，相中原子扩散系数较大，β晶粒极易粗化。

应变速率对变形后微观组织的影响如图4所示。由图4可以看出，随着应变速率的降低，破碎的片状α相逐渐演变成等轴状。当应变速率为30 s^-1 时，破碎后的微观组织基本保持原始片层组织，只有极少量的细小等轴α出现；当应变速率为1 s^-1时，有40%～50%的片层α演变成等轴状；当应变速率为0.01 s^-1时，大部分片层α演变成等轴状。这说明应变速率对片层状组织的球化进程影响显著，应变速率越慢，球化过程进行得越充分。

2.3  力学性能

图5所示为变形温度和硬度关系图。由图5可见，铸态BTi-62421S合金试样的洛氏硬度为34.5 HRC，变形后试样硬度普遍提高。应变速率为1 s^-1时，试样硬度随变形温度的升高而升高，在其余应变速率条件下，硬度先随温度的升高而升高，直到出现一个峰值，然后再下降其硬度逐渐下降且变化要平缓一些。这是由于随着变形温度的升高，片状α等轴化程度增大，组织变的越来越均匀，从而使硬度降低，塑性、韧性提高。

图5  变形温度和硬度关系

Fig.5  Relationships between deformation temperature and microhardness

3  结论

1) 结合热模拟压缩实验试样开裂状态，获得BTi-62421S合金压缩变形—T—开裂关系图。通过控制变形温度和应变速率等参数，可实现BTi-62421S合金的塑性变形。

2) 变形温度、变形速率对BTi-62421S合金热变形后的微观组织有重要的影响。在β相变点以下变形时，随着变形温度的升高，应变速率降低，组织细小、均匀；在β相变点以上变形时，合金中会出现粗大的β晶粒，这是应避免的情况。

3) BTi-62421S 合金的锻造工艺宜选择在950~  1 000 ℃以及中等或较低应变速率下进行，这样可获得细小、均匀的等轴晶粒，从而获得综合性能较好的合金。

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(编辑 何学锋)

通信作者：张慧芳, 博士研究生; 电话: 13513648327; E-mail: zhf990715@163.com