稀有金属 2002,(01),23-27 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2002.01.007

β21S钛合金热压缩变形行为

脱祥明 王世洪

北京有色金属研究总院,北京有色金属研究总院,北京航空航天大学 北京100088 ,北京100088 ,北京100083

摘 要：

在热模拟试验机上对 β2 1S (Ti 15Mo 2 .7Nb 3Al 0 2Si) 钛合金进行了恒应变速率压缩变形试验 , 温度范围为 75 0～ 95 0℃ , 应变速率范围为 ε=10 -3 ～ 10s-1, 测试了其真应力 真应变曲线 , 观察了变形后的组织。β区热压缩、变形的主要软化机制是动态回复 , 但 ε≤ 10 -2 s-1时 , 变形的过程中有动态再结晶现象发生 ;两相区热压缩 , ε≤10 -2 s-1时 , 变形的主要软化机制是动态回复 , ε≥ 10 -1s-1时变形的主要软化机制是动态再结晶。部分试样变形后的组织中 , 观察到类似“木纹”状的组织 , 这主要是由于不均匀变形造成的

关键词：

β21S钛合金;热压缩;变形软化机制;不均匀变形;

中图分类号： TG146.23

收稿日期：2001-3-30

Hot Compressive Behavior of β21S Titanium Alloy

Abstract：

Hot compressive deformation test of β21S (Ti 15Mo 2.7Nb 3Al 0 2Si) alloy was performed on Formaster Press Simulator in the temperature range of 750～950℃, over the range of strain rate from 10 -3 s -1 to 10s -1 . The compressive true stress vs. true strain curves were measured and the microstructure after deformation was studied. When the specimen is deformed in β phase field, the dynamic recovery dominates the softening mechanism. However, dynamic recrystallization will occur in the range of strain rate 10 -3 s -1 ～10 -2 s -1 . While in α+β phase field, the dynamic recovery dominates the softening mechanism in the range of strain rate 10 -3 s -1 ～10 -2 s -1 , the dynamic recrystallization dominates the softening mechanism in the range of strain rate 10 -1 s -1 ～10 s -1 . The wood stripe structure is found in some deformed specimens, it is caused by inhomogeneous deformation.

Keyword：

S alloy; Hot compress; Deforming softening mechanism; Inhomogeneous deformation;

Received： 2001-3-30

β21S 钛合金是一种新型亚稳β钛合金, 其名义成分为 Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si, 是美国 Timet 公司于1989年针对美国国家航空航天飞机计划 (NASP) 对抗氧化金属基复合材料 (MMCs) 基体的需求研制而成的, 已被纳入美国国家航空航天飞机计划 (NASP) 六种新材料的应用研究中。β21S 钛合金的抗氧化性能是 Ti-15-3 钛合金 (Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn) 的100倍 ^[1] , 而冷热成形性能及良好的综合力学性能与 Ti-15-3 合金相当。β21S 钛合金是目前唯一加入硅元素的β钛合金, 其高温力学性能优良, 该合金也是目前唯一一种抗蠕变性能优于 Ti-6Al-4V 合金的β钛合金。因而, β21S 钛合金也可用于制作有温度要求的飞机结构件和发动机结构件、蜂窝、坚固件和液压管材等。美国对β21S 钛合金进行了深入的研究, 而且进行了广泛的商业应用, 已成功将该合金应用于波音747飞机。可以说, β21S 钛合金的研制成功填补了抗氧化、抗腐蚀高强钛合金的空白。

本文在热模拟试验机上对β21S 钛合金进行了恒应变速率压缩变形试验, 温度范围为 750～950℃, 应变速率范围为 10^-3～10 s^-1, 测试了其真应力-真应变曲线, 观察了变形后的组织, 讨论了不同热变形参数条件下 β21S 钛合金的热压缩变形行为。

1 试验材料和试验方法

试验材料为宝鸡有色金属加工厂提供的 Φ12 mm 热轧棒材, 终轧温度为 780℃, 原始组织为α+β两相组织 (如图1所示) , 其相变点为 820±5℃, 化学成分如表1所示。压缩试样由 Φ12 mm 棒材加工成 Φ8 mm×12 mm 的圆柱。为减小压缩时压头与试样上、下端面之间的摩擦, 试样的两端放入石墨作为润滑剂。

图1 试验材料的原始组织 ×500

Fig.1 Initial microstructure of experimental materials

表1 试验材料的化学成分

Table 1 Chemical composition of experimental materials

元素	Mo	Nb	Al	Si	C	H	O	N	Fe	Ti
含量 w/%	15.34	2.9	2.86	0.19	0.03	0.001	0.10	0.011	0.08	余量

试验主要在热模拟试验机 (Formaster Press Simulator) 上进行, 试验过程由计算机控制, 保证恒应变速率压缩。分别在950, 900, 850, 800, 750℃五个温度下, 10^-3, 10^-2, 10^-1, 1, 10s^-1五个应变速率下进行恒应变速率热压缩试验, 预定高度方向的压缩变形量为 70%。试样采用感应加热, 到指定温度后保温 5 min, 停止加热立即进行热压缩。为了观察变形后的组织, 停载后 0.5 s 内对试样进行喷水冷却。由试验机给出的载荷-压下量曲线换算成真应力-真应变曲线。其真应力σ和真应变ε由公式

σ=ΡFi=ΡF0eε???(1)ε=-lnΗiΗ0???(2) σ=PFi=PF0eε???(1)ε=?lnHiH0???(2)

计算而得, 其中, F₀、F_i分别为试样变形前、后的面积, H₀、H_i 分别为试样变形前、后的高度, P为载荷。

2 试验结果与讨论

2.1 真应力-真应变曲线

试验共得到了25条真应力-真应变曲线。根据曲线形状及变形后试样组织的基本特征, 曲线按变形温度不同可分为两类:一类是变形温度在相变点以上, 即β区, 包括950, 900, 850℃的真应力-真应变曲线;一类是变形温度在相变点以下, 即两相区, 包括800和750℃的真应力-真应变曲线。900℃和750℃的真应力-真应变曲线如图2所示。

图2 750℃和900℃时压缩的真应力-真应变曲线

Fig.2 True stress vs. true strain curves of materials deformed at 750℃ and 900℃

(a) 900℃; (b) 750℃

900℃压缩时 (参见图2 (a) ) , 当 ˙ε=10-2s-1 ε˙=10?2s?1 时, 变形开始后, 应力快速上升, 应变很小时 (ε约等于0.02) , 应力便出现峰值, 随后应力很快下降, 接着逐渐趋向缓慢上升的直线形状。 ˙ε ε˙ 约等于0.02 时出现的应力峰值是由于固溶杂质元素与位错相互作用而产生的类似上、下屈服点现象, 不是发生动态再结晶的应力峰值。Ti-10Fe-2V-3Al 合金及 β-CEZ 合金等高强β或近β钛合金的低应变速率β区热变形中也都有类似的现象发生 ^[2,3] ;当 ˙ε≥10-1s-1 ε˙≥10?1s?1 时, 变形开始后, 应力随应变增加逐渐增大, 随后应力逐渐趋于不变, 即达到稳定变形阶段, 是典型的动态回复型曲线。

750℃压缩时 (参见图2 (b) ) , 当 ˙ε≤10-2s-1 ε˙≤10?2s?1 时, 曲线是典型的动态回复型曲线, 当 ˙ε≥10-1s-1 ε˙≥10?1s?1 时, 曲线是典型的动态再结晶型曲线。

2.2 显微组织和变形的不均匀性

由压力加工原理可知:存在摩擦的条件下进行平砧镦粗时, 坯料内部的变形是不均匀的, 按变形程度可分为三个区, 如图3所示。Ⅰ区变形程度最小, 一般称之为变形“死区”, Ⅱ区变形程度最大, Ⅲ区变形程度居于两者之间。正是由于这种变形的不均匀性, 压缩变形后试样的组织也是不均匀的。

900℃压缩后部分试样的组织照片如图4所示。 ˙ε≤10-2s-1 ε˙≤10?2s?1 时, Ⅱ区组织中拉长晶粒的晶界上都出现了许多细小的等轴晶粒 (参见图4 (a) ) , 这表明变形过程中部分晶粒发生了动态再结晶; ˙ε≥10-1s-1 ε˙≥10?1s?1 时, Ⅱ区组织为拉长的晶粒 (参见图4 (b) ) , 是动态回复组织。结合真应力-真应变曲线可以认为:900℃热压缩变形, 变形的主要软化机制是动态回复。

图3 镦粗时坯料端面的摩擦引起的不均匀变形

Fig.3 Inhomogeneous deformation produced by friction at ends of compression specimen

图4 900℃压缩变形后的组织 ×200 (a)˙ε=10-2s-1?Ⅱ(a)ε˙=10?2s?1?Ⅱ;(b)˙ε=10-1s-1?Ⅱ(b)ε˙=10?1s?1?Ⅱ;(c)˙ε=10-2s-1?Ⅰ(c)ε˙=10?2s?1?Ⅰ;(d)˙ε=10-1s-1?Ⅰ(d)ε˙=10?1s?1?Ⅰ

Fig.4 Microstructure of materials deformed at 900℃

750℃压缩后部分试样的组织照片如图5所示。750℃变形, 由于变形温度低于相变点, 各应变速率条件下组织都是α+β两相组织。但对 ˙ε=10s-1 ε˙=10s?1 和 ˙ε=10-3s-1 ε˙=10?3s?1 变形后两个试样的维氏硬度进行比较, 发现硬度存在明显差别 (见表2) , 10s^-1试样的硬度明显小于10^-3s^-1 试样的硬度。

表2 750℃, 10s-1和10-3s-1变形后试样维氏硬度比较

Table 2 Comparison of Vickers hardness between specimens deformed at 10s^-1and 10^-3s^-1at 750℃

应变速率 ˙ε/s-1 ε˙/s?1	硬度 HV
	1	2	3	平均值
10-3	303	232	345	293
10	254	239	257	250

注:表中的1、2、3表示金相试样观察面上任选的3点测试硬度, 平均值为3个测试点硬度的算术平均值

由此可见, ˙ε=10s-1 ε˙=10s?1 时变形过程中发生了动态再结晶, ˙ε=10-3s-1 ε˙=10?3s?1 时变形过程仍处于动态回复阶段。结合真应力-真应变曲线可以认为: 750℃,˙ε≤10-2s-1 750℃,ε˙≤10?2s?1 时, 变形的主要软化机制是动态回复, ˙ε≥10-1s-1 ε˙≥10?1s?1 时变形的主要软化机制是动态再结晶。

图5 750℃压缩变形后的材料组织 ×200 (a)˙ε=10-3s-1?Ⅱ(a)ε˙=10?3s?1?Ⅱ;(b)˙ε=1s-1?Ⅱ(b)ε˙=1s?1?Ⅱ;(c)˙ε=10-1s-1?Ⅰ(c)ε˙=10?1s?1?Ⅰ;(d)˙ε=10s-1?Ⅰ(d)ε˙=10s?1?Ⅰ

Fig.5 Microstructure of materials deformed at 750℃

900℃和750℃变形后的组织中都存在着一种类似“木纹”状的组织, 这种组织常常出现在变形“死区”和各变形区之间的过渡部分, 见图4 (c) 、 (d) 及图5 (c) , 这些区域的变形非常不均匀。类似的组织在 850℃、800℃变形后的试样中均存在, 但950℃变形后的试样中未发现类似的组织。这种“木纹”状组织主要是由于不均匀变形造成一部分晶粒发生动态再结晶 (白色部分) , 另一部分晶粒只发生动态回复 (黑色部分) ^[4,5] 。金属内部的变形是不均匀的, 金属内部的温度场以及应变速率也是不均匀的, 这些因素综合作用的结果, 往往会造成沿金属流动方向的一部分晶粒发生再结晶, 一部分晶粒只发生动态回复而形成“木纹状”组织, 对 850℃, 10^-1 s^-1变形出现的“木纹”状组织中不同区域的维氏硬度的比较证实了这一点 (参见表3) 。文献 [ 3] 指出变形温度若在亚稳β钛合金各自特定的“加工窗口” (processing window) 温度范围内, 变形的不均匀性大大减小。950℃变形后的试样中未发现类似“木纹”状组织表明 950℃处于β21S 合金的“加工窗口”温度范围内, 试样在950℃时的变形较之其它四个温度条件下的变形均匀。

表3 850℃, 10s-1变形后试样“木纹”组织中不同区域维氏硬度的比较

Table 3 Comparison of Vickers hardness between different regions in wood strip microstructure of specimen deformed at 10^-1s^-1at 850℃

区域	硬度 HV
	1	2	3	平均值
回复 (黑色)	244	268	260	257
再结晶 (白色)	206	212	210	209

注:表中的1、2、3表示金相试样观察面上任选的3点测试硬度, 平均值为3个测试点硬度的算术平均值。

3 结论

1.β区热压缩、变形的主要软化机制是动态回复, 但 ˙ε≤10-2s-1 ε˙≤10?2s?1 时, 变形的过程中有动态再结晶现象发生;两相区热压缩, ˙ε≤10-2s-1 ε˙≤10?2s?1 时, 变形的主要软化机制是动态回复, ˙ε≥10-1s-1 ε˙≥10?1s?1 时变形的主要软化机制是动态再结晶。

2.“木纹”状组织主要是由于变形温度不在“加工窗口”温度范围内, 不均匀变形造成一部分晶粒发生动态再结晶, 另一部分晶粒只发生动态回复。

3.950℃处于β21S 合金的“加工窗口”温度范围内。

参考文献

[1] 　BaniaPJ.ISIJInternational, 1991, 31:840

[2] 　彭益群热变形参数对Ti10V 2Fe3Al合金组织与流变应力的影响研究:[硕士学位论文]北京:北京航空航天大学, 1989

[3] 　MontheilletF , DajnoDetal.In:FroesFH , CaplanIeds., Titanium’92ScienceandTechnology, SanDiego, 1993.1347

[4] 　FroesFH , YoltonCF , HirthJPetal.BataTitaniumAl loysinthe1980’s, Atlanta.1984.161

[5] 　ChaudhuriK , PerpezkoJH .Metall.Trans.A , 1994, 25A :1109