高温变形参数对TC6钛合金微观组织的影响研究

第23卷　第1期2003年3月航　空　材　料　学　报JOU RN AL O F A ERO N A U T ICA L M A T ERI AL SV ol.23,No.1M ar ch2003高温变形参数对TC6钛合金微观组织的影响研究熊爱明,黄维超,陈胜晖,李淼泉(西北工业大学材料科学与工程学院,陕西西安710072)摘要:在热模拟实验和金相实验的基础上,研究了变形参数(变形温度、应变速率、变形程度)对T C6钛合金微观组织的影响。

研究结果表明:变形温度对T C6钛合金的变形组织有着显著影响。

在两相区,随着变形温度的升高,组织中初生相的含量在减少,而相晶粒的尺寸有先增大后减小的趋势。

应变速率对T C6钛合金变形组织中初生相的形态和尺寸有较大影响。

较大的应变速率能促进变形时的动态再结晶,有利于晶粒的细化。

变形程度存在着一临界值,当超过这一临界值后,变形程度的增加有利于晶粒的细化。

关键词:钛合金;高温变形;微观组织;动态再结晶中图分类号:T G146.2+3 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2003)01-0011-05 钛合金是第二次世界大战以后发展起来的新型金属材料。

它具有比强度高等优点,在多种环境下具有良好的抗腐蚀性,因而在航空、化工、造船等领域得到了广泛应用。

TC6钛合金是一种热强钛合金,除具有普通钛合金比强度高、抗腐蚀性好等优点外,它还具有良好的塑性和冲击韧性,使用温度可达450℃,常被用于制造航空发动机叶片、压气机盘等重要部件[1]。

锻件的内部组织状态将决定其使用性能。

现代科学技术的发展对零部件的使用性能要求越来越高,因而对变形后零件的内部组织也提出了更高的要求。

在材料的热成形过程中,材料的内部组织会发生变化,因而对于材料在热加工过程中组织演变的研究引起了各国学者极大的兴趣[2～4]。

本文通过高温热模拟实验和微观组织实验研究变形参数对T C6钛合金内部显微组织的影响,为TC6钛合金微观组织的精确控制和优化热变形工艺奠定基础。

1　实验方法1.1　实验材料 实验用T C6钛合金是由宝鸡有色金属加工厂生产的直径为42mm的棒材,其主要化学成分见表1,其原始组织如图1所示。

在热模拟实验前收稿日期:2002-03-25;修订日期:2002-12-03基金项目:国家“973”项目(G2000067206),航空基金(99H53109)。

作者简介:熊爱明(1975-)男,博士研究生。

的等温退火热处理规范为:加热870℃保温1h,然后冷却到650℃保温2h后空冷。

实验用T C6的主要化学成分为(wt%):Al 6.29,Cr 1.42,Fe0.42,Mo2.71,Si0.33,Ti bal。

1.2　实验方案 实验在T herm ecmaster-Z型热模拟试验机上进行等温恒应变速率热压缩实验。

压缩试样为(8mm×12mm的圆柱体,上下两端面加工有0.2mm深的浅槽,用于贮存高温保护润滑剂,以减轻摩擦的影响。

实验时选取的变形温度为(℃): 800,860,920,950;应变速率为(s-1):0.001, 0.01,1,50;变形程度为30%,40%和50%。

完成高温压缩变形后向试样吹喷氮气以30℃/s进行急冷。

将变形后试样沿压缩试样的轴线进行线切割,取试样的一半作为金相研究对象。

所用腐蚀剂为HF∶HNO3∶H2O=2∶3∶5,金相实验在NEOPHOT-1型卧式显微镜上完成。

2　实验结果及分析2.1　原始组织 本文实验用TC6钛合金的原始组织为典型的等轴组织(图1),其基本相由相和 相组成。

钛合金具有组织遗传性即原始组织对变形后的组织有较大影响。

如果T C6钛合金原始组织的平均直径为10 m,在变形温度为1200℃和变形程度为4%～5%的变形条件下,若原始组织为等轴组织,则变形后晶粒的平均直径为335 m;若原始组织中的相为针状,则变形后晶粒的平均直径约为1000 m[5]。

因此,为了使钛合金锻件具有合适的晶粒度,必须控制原材料的组织。

图1　实验用T C 6钛合金的原始组织　F ig.1　As -receiv ed micr ostr ucturesof the T C6tita nium a lloy2.2　变形温度的影响 变形温度对T C6钛合金微观组织有着显著影响,如图2所示。

当变形速率和变形量保持不变,变形温度从800℃上升到860℃时,变形后合金的微观组织形貌基本相同。

由于变形温度的升高,组织中相发生了→的相转变,使得初生相的含量有所减少。

但由于较高的变形温度提供了更多的能量,使得相的相界扩散能力增强,有机会吞并附近细小的晶粒,从而使得相晶粒数量减少,相晶粒大小有所增加。

变形温度升到920℃时,变形后合金的微观组织形貌发生了较大变化。

此时,大部分相已经转变为相。

剩余的相晶粒较小,大多分布在晶界上。

变形温度升到950℃时,剩余的相晶粒与变形温度920℃时的情况相比更小更少。

从整体上来看,随着变形温度的升高,初生相的含量逐步减少,而相晶粒的大小则有先增大后减小的趋势。

图2　不同变形温度下T C6钛合金的微观组织形貌 F ig .2　M icr ostr uctur es o f T C 6titanium alloy at different defor mation temperat ur es(a)800℃,1s -1,50%;(b)860℃,1s -1,50%;(c)920℃,1s -1,50%;(d)950℃,1s -1,50% 由以上分析可见,在( + )两相区锻造时,锻前加热温度的高低将直接影响锻后锻件中初生相的含量。

变形温度低于 转变温度越多,初生相所占的比例就越大。

由于锻件中初生相所占的比例将直接影响锻件的室温性能和高温性能[6],因而在对T C 6钛合金进行锻造时,要严格控制变形温度(特别是终锻温度),从而保证初生相的含量处于合适的范围(一般为15%～45%)。

2.3　应变速率的影响 在变形温度为860℃和变形程度为50%的条件下,应变速率对TC6钛合金显微组织的影响如图3所示。

由于受热模拟实验设备的限制,本文主要研究了低速变形(10-3～10-2s -1)和中速变形(1～50s -1)对变形合金显微组织的影响。

从图3中可以看出,应变速率对显微组织中初生相的含量影响不大,但对显微组织中初生相的形貌有一12 航　空　材　料　学　报 第23卷定影响。

低速变形时,变形过程以动态回复为主,初生相在沿着与变形方向垂直的方向上被压扁,呈长条状(如图3),而在变形速率为10-3s -1(图3a)时,初生相晶粒却接近于等轴状,这可能是因为较低的变形速率导致整个变形过程时间变长,初生相晶粒在一定程度上发生了球化的缘故。

在中速范围内变形时(图3c,d),初生相晶粒呈等轴状,并且分布均匀。

图3　不同应变速率下T C6钛合金的微观组织形貌 F ig.3　M icr ostr uctur es of T C6titanium a lloy at different str ain r ate(a )860℃,s -1,50%;(b )860℃,s -1,50%;(c )860℃,1s -1,50%;(d )860℃,50s -1,50% 这是由于在该变形条件下发生了完全动态再结晶。

在较低的速度范围内变形时,初生相晶粒的尺寸较大(如图3a 所示),这说明在此变形条件下晶粒发生了长大。

由上面分析可知,高温下的变形速率对T C 6钛合金锻件的组织有一定的影响,过快或过慢均不好。

如果变形速率较大,一方面材料的变形抗力增大,会增加能耗;另一方面在变形过程中会产生大量的变形热,会使锻件内部的实际温度升高以致超出合适的锻造温度范围,从而使组织恶化。

如果变形速度较小,变形过程中的软化机制以动态回复为主,动态再结晶不完全,会使锻件的内部组织呈现出明显的方向性。

如果出现这种情况,应该适当地增大变形程度,以破碎长条状组织。

因此从组织控制的角度来要求,T C6钛合金适合于在压力机上进行锻造成形。

2.4　变形程度的影响 变形程度对T C6钛合金显微组织的影响如图4所示。

在变形温度为800℃,应变速率为1s -1的变形条件下,30%和40%的变形程度使晶粒呈现出明显的变形特征,并具有相同的晶粒取向,晶粒的形态和大小相差不大(图4a,b);但当变形程度为50%时,晶粒得到了明显的细化(图4c)。

也就是说,在40～50%之间存在着晶粒细化的临界变形程度。

在变形温度为860℃,应变速率为50s -1的变形条件(见图4d ,e ,f )下出现类似的情况,但晶粒细化的临界变形程度位于30～40%之间。

从整体上的分析来看,在一定的变形温度和变形速率下,T C 6钛合金存在着一晶粒细化临界变形程度,当变形程度超过这一临界值后,变形程度的增加有利于晶粒细化,并且在高温高速的变形条件下,临界变形程度要小。

这一临界变形程度是锻造时必须控制的最小变形程度。

由于TC6钛合金在变形程度超过85%以后,可能形成织构,在高温下容易发生合并长大,即出现二次再结晶,从而使晶粒非常粗大[5]。

因而在对T C 6钛合金进行锻造时,每个工序的变形量应该控制在30～60%之间。

因而对于变形量较大的成形过程最好采用多次成形的办法。

13第1期 高温变形参数对TC6钛合金微观组织的影响研究 图4　不同变形程度下T C6钛合金的微观组织形貌 F ig.4　M icr ostr uctur es of T C6titanium a lloy at different r eduction in heig ht(a)800℃,1s-1,30%;(b)800℃,1s-1,40%;(c)800℃,1s-1,50%;(d)860℃,50s-1,30%;(e)860℃,50s-1,40%(f)860℃,50s-1,50%3　结论 通过对T C6钛合金热模拟实验和变形后的微观组织研究,分析了高温变形参数对TC6钛合金微观组织的影响。

主要结论如下: (1)TC6钛合金变形后的微观组织受原始组织和变形参数(包括变形温度、应变速率、变形程度)等因数的影响。

(2)在两相区,随着变形温度的升高,初生相的含量在减少,而相晶粒的尺寸有先增大后减小的趋势。

(3)应变速率其对微观组织中初生相的含量影响不大,但对晶粒的形态和尺寸影响较大。

较大的应变速率能促进变形时的动态再结晶,有利于晶粒的细化。

(4)在一定的变形温度和变形速率下,TC6钛合金存在着一晶粒细化临界变形程度。

当超过这一临界值后,变形程度的增加有利于晶粒的细化,并且在高温和较高速率下变形,临界变形程度可降低。

参考文献:[1]工程材料实用手册编委.工程材料实用手册(3)铝合金镁合金钛合金[M].中国标准出版社,1989.[2]HU Z M,BR OO KS J W,DEA N T A.Ex perimentaland theor etical analy sis of defor matio n and mi-cr ostr uctural evo lut ion in the hot-die fo rg ing of t ita-nium allo y aero foil sect ions[J].J M ater Pr o c T ech, 1999,88:251—265.14 航　空　材　料　学　报 第23卷[3]SESHA CHAR YU LU T ,M EDEIRO S S C .Ho two rking of commer cial T i-6A l-4V with an equiaxed - micr ostr ucture:mat er ials m odeling co nsider a-t ions [J ].M ater ials Science &Eng ineering A ,2000,284:184—194.[4]G U O Z X.BA K ER T N.On the micr ostr uctur e andt her mo mechanicalpr ocessingoft itaniumallo yI M I 685[J ].M ater ials Science &Eng ineering A ,1992,156:63—76.[5]西北工业大学有色金属锻造组.有色金属锻造[M ].北京:国防工业出版社,1979.[6]吕炎.锻件组织性能控制[M ].北京:国防工业出版社,1988.[7]鲍利索娃(苏).钛合金金相学[M ].北京:国防工业出版社,1986.Effects of hot forming parameters on microstructureof TC 6titanium alloyXONG Ai-ming,HUAN G Wei-chao ,CHEN Sheng -hui,LI Miao -quan(Co llege o f M ater ials Science and Eng ineer ing,N or thwester n Po ly technical U niv ersit y,Xi ′an 710072,China)Abstract :Effects of defo r matio n pro cess pa rameter s ,including defor matio n t emper ature ,st rain r ate and strain ,on mi-cr o st ructure o f the T C6t itanium allo y w er e investig ated thr ough iso therma l compr ession and meta llog ra phic ex perim ents.T he r esults sho w t hat defo rmat ion pro cess param eters have sig nificant influence on micr ostr uct ur e of t he T C6tit anium al-lo y .In tw o phases r egion ,v olume fraction of phase decr eases w it h t he incr easing o f temperat ur e ,but g rain size incr eases fir st and then decr eases with that.T he st rain r ate affects the mo rpholog ies and g r ain size of phase o f T C6titanium allo y.T he suit able str ain rat e makes g r ain size fine by acceler ating the dy na mic r ecry st allization o f T C6titanium allo y.T he strain has the sa me effect as str ain r ate w hen it ov ert akes the thr eshold.Key words :tita nium a lloy ;ho t defo rmat ion ;micro str uctur e ;dynamic r ecr y st allizatio n15第1期 高温变形参数对TC6钛合金微观组织的影响研究 。