Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Si-Y合金高温塑性变形行为及加工图

率的峰值区为８７５～９２５℃，应变速率为Ｏ．００ｌ～０．００２ ｓ一，峰值效率为８５％。在温度为９００～１０００℃，应变速率为０．１～３ ｓ４
的区域和８５０～９５０℃，应变速率为０．００１～０．０１ ｓ。的环形区域内进行等温压缩，Ｔｉ．Ａ１．ｚｒ．Ｓｎ．Ｍｏ．Ｓｉ．Ｙ合金发生了动态再
结晶，其功率耗散效率为４０％～５５％。在８００～９２５℃，应变速率为０．０３～１０ ｓ以和温度为８６０～９３０℃，应变速率为０．００３～
０
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图２ Ｔｉ６００合金的真应力．真应变曲线 Ｆｉｇ．２ １’ｍｅ ｓｔｒｅｓｓ ｖｓ ｔｍｅ ｓｔｒａｉｎ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ Ｔｉ６００ ａｌｌｏｙ：（ａ）ａｔ
９００℃ａｎｄ（ｂ）ａｔｔｒｕｅ ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅｓ ｏｆ０．０ｌ ｓ一１
万方数据
率为０．０１ ｓＪ（图２ｂ）时的真应力一应变曲线。在图２ａ中， 随着应变的增加，合金发生硬化，应力急剧增大达到 最大值后开始逐渐降低，表现出流变软化的特征。在 同一温度下，不同的应变速率曲线的软化特征基本相 似，说明应变速率对真应力一应变曲线变化规律影响不 大。在图２ｂ中，９５０℃和１０００℃时曲线软化特征不 明显，而在８００～９００℃时曲线软化特征较明显，而且 变形温度越低，这种“软化”效果越明显。说明变形 温度对真应力一应变睦线变化规律影响较大。 ３．２合金的加工图
该合金的热变形行为一直为人们所关注，但对该 合金热变形规律的系统研究还不多见。本文在 Ｇｌｅｅｂｌｅ一１５００热／力模拟试验机上进行圆柱体的热压缩 试验，获得了Ｔｉ６００合金的流变应力，分析了该合金 的高温变形特性，通过非线性回归处理得到了Ｔｉ６００ 合金的高温本构方程，建立了以动态材料模型为基础 的加工图，该工作对实际生产中的热加工工艺的制定 和优化具有重要的指导意义。
材料的热变形行为是其微观变形机制及变形过程 中组织结构演变的宏观反映，采用本构方程的形式来 描述材料的流变应力与应变速率、变形温度等热加工 参数之间的关系是比较恰当的［＿７１。因此研究材料的热 变形行为是对确定该材料合理的高温成形工艺，获得
组织和性能良好匹配具有重要意义。热压缩试验可获 得不同条件下应力应变的连续数据，可用于研究合金 的热变形行为，还可用于计算绘制材料的加工图 （Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｍａｐ）。加工图是变形温度与应变速率空间 中的功率耗散图与失稳图的叠加。根据加工图可以判 别材料变形过程中的流变失稳区，还可根据非失稳区 内最大功率耗散系数区与显微组织来制定材料的最佳 加工工艺。
加工图是近２０年发展起来用于研究金属热变形 行为的一种方法，采用加工图方法能够准确地描述金 属在高温变形时的组织演变同塑性变形参数之间的关 系［引。加工图主要有２种类型［９１，一种是基于原子模型 的加工图，另一种是基于动态材料模型ＤＭＭ （Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ）的加工图。第１种加工图 在实际应用中存在很大的局限性，以动态材料模型为 基础的加工图在一定程度上弥补了前者的不足而被广 泛应用。目前，由该模型推导出的加工图已在２００多 种合金中成功应用［１０］。动态材料模型是基于大塑性变 形的连续介质力学、物理系统模拟和不可逆热动力学 等方面的基本原理建立起来的。该模型的基本原理【１１】 为：假设将热变形的加工件作为一个能量耗散体，在 塑性变形过程中，将外界输入加工件的总能量（Ｐ）消耗 在以下两方面：（１）加工件发生塑性变形所消耗的能 量，用Ｇ表示；（２）加工件变形过程中组织变化而耗 散的能量，用，表示。这一过程可以通过数学表达式 体现出来：
一般情况下，绝热剪切带的形成影响因素很多， 不但受外界因素影响，也与合金本身的物理性能有关。 绝热剪切带具有一定流向，通常与主应力方向成４５０ 角。在本加工图中，绝热剪切带出现在ｒ＝８００℃，叠 ＝１ ｓ。时，如图４所示。当应变速率继续增大到１０ ｓ。１ 时，在绝热剪切带处发生楔形开裂（如图５所示）。 有文献报道【”Ｊ，Ｔｉ一６Ａｌ一４Ｖ合金在丁＝７５０℃，叠＝１～ １０ ｓ‘１时，有裂纹出现，这与本文结果相似。楔形开裂 区域和绝热剪切带的形成区域都在加工图的失稳区域 范围内，因此，失稳区域对于合金的热加工是非常危 险的，在加工过程中必须避免。
从Ｔｉ６００合金的高温压缩实验数据中采集合金在 不同应变、应变速率和变形温度下的流变应力值，进 而可以作出不同应变量的加工图。加工图制作过程如 下：在一定温度下，采用３次样条函数拟和ｌｎ盯与ｌｎ舌 的关系曲线，按公式（２）计算出应变速率敏感指数ｍ， 再选取不同温度重复该步骤。根据公式（７）计算功率 耗散效率因子刁，在Ｔ．１ｎ叠平面内绘制功率耗散效率因 子，７的等值轮廓曲线。按照公式（８）给出的流变失稳 判据，计算不同温度和应变速率下的鬏０）值，并绘制 加工失稳图，之后２图叠加就得到合金的加工图。
０．０３ ｓ‘１区域内易产生流变失稳现象。
关键词：钛合金；高温塑性变形；加工图；动态再结晶
中图法分类号：ＴＧｌ４６．２
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２－１８５ｘ（２００７）１１－１８９１－０５
１ 前言
钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐热、耐腐 蚀等优异特性，在航空、航天等领域获得越来越多的 广泛应用。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｉｙｕｎｌｉａｌｌ＠１２６．ｃｏｍ
万方数据
稀有金属材料与工程
第３６卷
用试样加工成直径８ ｍｍ，长度１２ ｍｍ的圆柱，两端 和外圆均磨光。利用Ｇｌｅｅｂｌｅ一１５００热模拟试验机进行 恒温热压缩试验，具体的试验方案如下，变形温度为： ８００，８５０，９００，９５０，１０００，１０５０，１１００℃；变形速 率为：０．００ｌ，０．０１，０．１，ｌ，１０ ｓ～；保温时间为５ ｍｉｎ； 变形量均为７０％；冷却方式为水冷。变形过程中系统 自动采集变形温度、变形速率和变形量。热压缩前的 显微组织如图１所示。
第３６卷 ２００７年
第１１期 １１月
稀有金属材料与工程 ＲＡＲＥ ＭＥＴＡＬ～酗ＴＥＲＩＡＩ，Ｓ ＡＮＤ ＥＮＧＤ岖ＥＲＩＮＧ
、，０１．３６．Ｎｏ．１１ ＮＯｖｅｍｂｅｒ ２００７
Ｔｉ．Ａ１．Ｚｒ＿Ｓｎ．Ｍｏ．Ｓｉ．Ｙ合金高温塑性 变形行为 及加工图
戚运连１，一，曾卫东１，赵永庆２，奚正平２，王蕊宁２，杜 宇２，洪
ｄＤ／ｄ０剑舌时，会出现变形失稳，Ｄ是在给定温度下
的耗散函数。按照动态材料模型原理，Ｄ等于协变量
，，由上述分析可以得到流变失稳的判据为【ｌ ３】：
孝（叠ａ）ｌ２ｎ（裂』２＋＿，） 行＜ｏ
（８）
参数鼍（０）作为变形温度和应变率的函数，在能耗 图上标出该值为负的区域称为流变失稳区域，该图称 为流变失稳图。上述流变失稳判据具有特定的物理意 义，如果系统不能以施加在系统上的应变率以上的速 率产生熵，那么系统就会产生局部流变或者形成流变 失稳。 ３．３ Ｔｉ６００合金的加工图
（ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｏｕｒｓ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔ ｔｈｅ ｐｅｒｃｅｎｔ ｅ伍ｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ）
在加工图中，当功率耗散效率值很高（大于６０％）， 而应变速率小于０．０１ ｓ。时［１ ５１，合金容易发生超塑性变 形。因此，在Ｔｉ６００合金的加工图中，当ｒ在８６５～９３５ ℃，舌在０．００１～０．００３ ｓ‘１时，功率耗散效率达７０％～８５％， 所以该合金又可能发生超塑性变形行为。但这一结果 还有待于进行下一步的超塑成型实验加以证实。近口 高温钛合金ＩＭｌ６８５在８７５～１０２５℃和０．００１～０．１ ｓ‘１范 围内发生超塑变形［１６】。近∥型钛合金Ｔｃｌ７（Ｔｉ．５Ａｌ一 ４Ｍｏ一４Ｃｒ一２ｚｒ－２Ｓｎ）在８３０℃和叠＝０．０１ ｓ。时，发生 超塑性变形［１７】。在超塑性变形过程中，Ａｓｈｂｙ和ｖｅｒｒａｌ 认为，在晶界滑移的同时伴随有扩散蠕变，原子的迁 移对晶界滑移起调节作用，由于超塑性变形过程中晶 界的高迁移性，导致耗散效率较高【１ ８１。
ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ）。其值为：
，
２ｍ
刁２ｉ２而
（７）
在一定应变下，做温度和应变速率的关系图，就
可以得到功率耗散图。在功率耗散图中，功率耗散效
率，７值越大，并不一定意味着材料的加工性越好。因
为在加工失稳区功率耗散效率可能也很高，所以先确
定出材料的加工失稳区是很必要的。将不可逆热动力
学的极大值原理应用于大应变塑性流变中［１ ２１，当
图３为Ｔｉ６００合金真应变量为０．７时的加工图。 图中等值线上的数字表示该状态下的功率耗散效率。 由图可以看出，功率耗散效率的峰值区为变形温度范 围在８７５～９２５℃，应变速率范围在０．００１～０．００２ ｓ一， 峰值效率为８５％。在变形温度高于１０００℃或低于 ８５０℃时，随着温度的变化功率耗散效率都呈急剧下 降趋势。图中阴影部分为流变失稳区，主要分布区域 在变形温度为８００～９２５℃，应变速率为０．０３～１０ ｓ。和 温度为８６０～９３０℃，应变速率为０．００３～０．０３ ｓ～。此
则Ｊ表示为：
Ｊ：两舌：旦葩
（５）
由
ｍ＋１
式中，ｍ的取值范围在０到１之间，当ｍ＝Байду номын сангаас时，材料
处于理想线性耗散状态，耗散协量，达到最大值，即：
第１１期
戚运连等：Ｔｉ．Ａ１．ｚ卜Ｓｎ－Ｍｏ．ｓｉ．Ｙ合金高温塑性变形行为及加工图
·１８９３·
ｌ
—ｏ毛
Ｊ一一了
（６）
在这里引进一个反映材料功率耗散特征的无量纲
参数玎为功率耗散效率（ｅｍｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｐｏｗｅｒ
航空发动机的工作环境集高温、高压、高负载于 一体，对材料要求极其苛刻，因此，世界各国都在竞 相发展６００℃高温钛合金，用来制备高推比航空发动 机的压气机轮盘、叶片和机匣等。典型的钛及钛合金 代表有英国的ＩＭｌ８３４，美国的Ｔｉ．１１００和俄罗斯的 ＢＴ３６钛合金等，ＩＭｌ８３４合金已经在军用航空发动机 和民用航空发动机上正式使用，而Ｔｉ—１１００合金和 ＢＴ３６钛合金已经完成试车考核［１￣３】。我国自主研制开 发的Ｔｉ—Ａｌ—ｚｒ－ｓｎ—Ｍｏ—ｓｉ．Ｙ（简称Ｔｉ６００）合金是一种在 ６００℃下使用的近。ｃ型、含稀土元素钇的高温钛合金， 通过添加少量的稀土元素钇，提高了该合金的抗拉伸 强度、蠕变和高温持久等综合性能［４西】。