文章编号:1004-0609(2010)S1-s0167-06
TC17钛合金在热变形过程中的组织演变规律
徐 斌1,王晓英1,周建华1, 王凯旋2,曾卫东2
(1. 宝山钢铁股份有限公司 特钢事业部,上海 200940;2. 西北工业大学 材料科学与工程学院,西安 710072)
摘 要:
为了揭示变形程度和变形温度对β预制坯针状组织的影响规律,在800、820、840和
关键词:
中图分类号:TG146.2 文献标志码:A
Microstructure evolvement regularity of TC17 titanium alloy in hot deformation
XU Bin1, WANG Xiao-yin1, ZHOU Jian-hua1, WANG Kai-xuan2, ZENG Wei-dong2
(1. Special Steel Branch, Baoshan Steel Co., Ltd., Shanghai 200940,
2. School of Materials Science and Engineering, Northwestern Polytechnical University,
Abstract: In order to disclosure the influence of deformation temperature and deformation degree on β preforming acicular structure, small pie isothermal compressing test with different strain levels from 20% to 80% was carried out at four different temperatures ranging from 800 to
Key words: β preform; acicular structure; spheroidization; dynamic recrystallization
TC17钛合金是一种近β型钛合金,其名义成分为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr(质量分数,%)。其中,Al、Sn和Zr元素强化α相,从而改善蠕变抗力,并且缓和β相的时效特征;Mo和Cr元素确保大截面材料的热处理和淬透性。因此,TC17钛合金在强度、淬透性、疲劳和断裂韧性方面可以达到平衡,并具有良好的综合性能,在各种航空发动机的风扇和压气机盘件上得到了广泛的应用[1]。
本文作者采用热模拟压缩试验研究温度、应变速率和应变量对具有片状组织的TC17钛合金流动应力的影响规律,建立合金的本构关系模型和片状组织球化的动力学模型。由于热模拟压缩试验不能真实地反映等温锻造过程中显微组织的演变情况,本研究设计在800~
1 实验
实验材料为炉号845-0032,d
图1 TC17钛合金棒材照片
Fig.1 Photo of TC17 titanium alloy bar
表1 TC17钛合金的化学成分
Table 1 Composition of TC17 titanium alloy (mass fraction, %)
表2 TC17钛合金的棒材力学性能
Table 2 Mechanical properties of TC17 titanium alloy bar
坯料在相变点以上温度制备β预制坯,然后在800~
在两相区等温锻造圆饼的边缘、1/2半径处和中心部位分别取样进行金相观察,观察面为线切割对称垂直剖面。金相取样示意图见图3。
在JEOL JSM-
图2 TC17钛合金在
Fig.2 Photos of TC17 titanium alloys sampling for isothermal compression at
图3 金相取样示意图
Fig.3 Schematic map of metallographic specimen sampling
由于模拟小饼在等温镦粗过程中存在摩擦阻力的影响,导致各部位变形不均匀。为了更真实地反映各部位的变形情况,采用有限元模拟软件Deform-3D模拟小饼等温镦粗的变形过程,计算不同变形程度圆饼
的边缘、1/2半径处和中心部位的等效应变。有限元模拟的变形过程如图8所示。
不同变形条件下的等效应变值列于表3。可以看出:各种变形程度下圆饼的边缘、1/2半径处和中心部位的等效应变依次增大,1/2半径处的等效应变与名义应变接近。因此,以1/2半径处的样品为例进行分析和讨论。
2 结果与讨论
图4~7所示为TC17钛合金在800~
图4 TC17钛合金在
Fig.4 SEM images of isothermal compressed TC17 alloys with different deformation degrees at
图5 TC17钛合金在
Fig.5 SEM images of isothermal compressed TC17 alloys with different deformation degrees at
图6 TC17钛合金在
Fig.6 SEM images of isothermal compressed TC17 alloys with different deformation degrees at
图7 TC17钛合金在
Fig.7 SEM images of isothermal compressed TC17 alloys with different deformation degrees at
图8 TC17合金小圆饼等温镦粗变形过程的有限元模拟
Fig.8 Finite element modeling of small pipe isothermal compression of TC17 alloy: (a) 20%; (b) 40%; (c) 60%; (d) 80%
表3 TC17合金不同变形程度下的应变量
Table 3 Strain with different deformation degrees of TC17 alloy
变形时条状α相已基本断开,80%变形时已完全球化。可见,变形量对TC17钛合金片状组织的球化作用最明显,变形量越大,温度越高,越有利于组织球化。这可以用球化模型来解释。按照MARGOLIN等[2]和SEMIATIN等[3]提出的晶界分离模型,片状组织的球化可分为α片切断和短片α球化两个过程,如图9所示。α片的切断主要有两种机制:一种是剪切变形切断,另一种是形成亚晶。局部剪切变形使α片内形成强烈的剪切带,若直接形成α/β界面可能完全切断α片,若形成大角度α/α晶界则发生相对错移或扭折。若剪切变形在剪切平面内产生两种符号相反的位错,高温变形的回复机制使交割面上符号相反的位错发生湮灭,留下相同符号的位错形成小角度晶界,进而形成亚晶,将α片组织分割成许多小段。剪切或切断与变形能密切相关,因而随着变形量的增大,球化作用明显。
图9 片状组织切断模型
Fig.9 Model of lamellar structure abscission: (a) Shear deformation; (b) Subgrains formation
剪切变形(不完全贯穿)或亚晶的形成会在α/α界面与α/β界面交接处形成沟槽,在变形和随后热处理过程中,β相可能进一步楔入α晶界。当α片状组织的宽度小于β相楔入深度的2倍,α片被切断。β相楔入的深度与亚晶界面能有关,是界面能ga/a和ga/b相互平衡的结果,可以表示为
(1)
由式(1)可以看出:当ga/b一定时(通常不变),界面能ga/a越大,两界面的夹角θ越小,β相楔入的深度越深,如图10所示。同理,钛合金片状组织α/α界面能低,β相穿透α片的驱动力小,因而仅仅加热,不足以使合金组织发生球化。通过变形形成小角度或大角度晶界,能显著提高合金的界面能,加速合金元素的扩散,有利于片状组织的球化。切成小段的片状α若存储了足够的变形能,在随后的热处理过程中将进一步降低长宽比,形成等轴组织。其球化机理仍然是β相穿透α片或剪切带。
按照上述理论,在变形温度较低时(如
图10 β相楔入深度与界面能的关系示意图
Fig.10 Schematic map of relationship between wedging depth of β phase and interfacial energy
3 结论
1) 变形程度和变形温度等热变形参数对TC17合金的片状组织的球化过程存在重要影响,其中变形程度是影响片状组织球化的主要因素。
2) 塑性变形能明显改变TC17合金原始片状组织的形貌,达到球化的目的。随着变形程度的增大,片状组织结构破碎和球化的程度提高。变形量小于20%时,变形后的组织形貌变化不大;当变形量为40%~ 60%时,片状α组织受到剪切而断裂,开始发生动态再结晶而向球状α组织转变。在较高的温度下,变形量大于60%可得到完全球化的组织。
3) 在800~
REFERENCES
[1] BOYER R, BOYER R, WELSCH G, COLLINGS E W. Materials properties handbook: Titanium alloys [M].
[2] MARGOLIN H, COHEN P, KIMURA H, IZUMI O. Titanium: Science and Technology [C]// TMS.
[3] SEMIATIN S L, SEETHARAMAN V,
(编辑 方京华)
通信作者:徐 斌; 电话: 021-26032683; E-mail: xubin242@baosteel.com