TB6钛合金属于近β型钛合金, 因其优良的淬透性和强韧性匹配关系, 目前已宽泛用于航空航天领域[1], 成为大型中央件等直升机旋翼系统关键构件的梦想资料。 另一方面, 该合金属于难变形金属资料, 其组织与机能对热变形过程的工艺参数极度敏感[2], 在铸造厂现实出产中, 即便统一炉原资料选取一样工艺路线出产的锻件, 也无法确保其组织和机能的不变性。 国内钻研人员向彪等[3]对TB6钛合金某一工字型锻件分歧前提下的流变行为进行了钻研, 得出资料的安全变形参数区间为710~760 ℃和0.001~0.003s^-1。 欧阳德来[4]钻研了锻态TB6钛合金β铸造过程的再结晶行为, 构建了动态再结晶晶粒尺寸演变模型,且拥有较高的精度。 但上述钻研均不足对TB6钛合金两相区变形时特定前提下资料再结晶行为(晶界组成、 散布等) 的钻研。

本文以TB6钛合金棒料为尝试资料, 通过分歧热变形参数下的压缩尝试, 钻研TB6钛合金热变形行为及其组织演变法规, 从而初步得出TB6钛合金的热加工工艺窗口, 为后续锻件有限元仿照及其尝试成立基础。

1、资料筹备与尝试规划

1.1 TB6钛合金相变点简直定

尝试资料为西部超导资料科技股份有限公司出产的TB6钛合金棒料, 其尺寸约为Ф350 mm×18.5 mm,名义成分为Ti-10V-2Fe-3Al。 按GJB 2218A—2018[5]要求, 对炉号为586-212132 的该批棒材进行检验,其化学成分了局见表1, 有关机能指标见表2。

为保障试样初始组织状态拥有一致性, 在棒状坯料同心圆处沿轴向切取Ф8 mm×12 mm 的尺度圆柱压缩试样。 随后在热仿照压缩试验机上进行压缩尝试。 由于锻件是在两相区温度领域内铸造成形, 因而, 在进行热仿照压缩尝试前, 需确定TB6钛合金资料的相变点以便制订热仿照压缩尝试规划。

为获取TB6钛合金的相变点, 经查阅文件[6]可知：：：该合金的相变点在790~820 ℃之间, 因合金成分略微分歧, 相变点有所差距。 为此选取金相法来获取相变点, 首先别离在790、 800、 810 和820 ℃ 下对试样进行1 h 的固溶处置, 而后迅速将固溶后的试样进行水冷以获取显微组织。

图1 为TB6钛合金经分歧温度固溶1 h 后水冷的显微组织, 从图1 中能够看出：：：分歧固溶温度下,TB6钛合金组织描摹差距显著。 仔细观察能够发现,固溶温度由790 ℃升高至800 ℃时, 初生α相的体积分数不休降低, 等轴初生α相隐没或增大长宽比为条状初生α相。 其重要原由于：：：随着固溶温度的升高, 溶质原子扩散速度加快, α图片β相变增长,使得初生α相含量降低。 当固溶温度超过800 ℃时, 基体β相中是弥散散布着的藐小α相[7]。

图1c 中, TB6钛合金显微组织由亚稳β相、 少量初生α相和集中或靠近于β晶界的斜方针状α″相组成[7]。 其原因在于：：：810 ℃固溶产生的β相在淬火快冷过程中, 高温β相来不及析出α相, 因而,原始的β晶界隐隐可见。 同时, β相的晶体结构不易被冷却所克制, 依然产生了晶格转变, β相由体心立方晶格转变为拥有密排六方结构的α″相[3]。 当固溶温度持续升高至820 ℃时, 如图1d 所示, 能够观察到微观组织中仅有粗壮的β相, α相已经全数溶化, 由此注明820 ℃已经超过了(α+β)图片β相的转变温度。

综上, 凭据组织的分歧特点和变动趋向将该炉批TB6钛合金的相变点确定为(810±5) ℃。

1.2 TB6钛合金热仿照压缩尝试规划

图2为TB6钛合金单轴试样热压缩过程加热规范。 为保障试样均匀一致性, 加热炉升温速度设定为10 ℃·s^-1, 试样随炉升温, 两相区变形温度别离为700、 730、 760 和790 ℃, 保温功夫为3 min,热压缩过程中的应变速度别离为0.001、 0.01、 0.1和1s^-1, 试样变形量为60%[3]。 选取惰性气体(氦气) 冷却的方式急剧“冻结” 分歧热变形前提下的高温组织, 变形过程中利用推算机采集试样的真应力-真应变数据, 得到相应曲线[4]。

2、TB6钛合金热变形行为钻研

在分歧温度下热压缩变形时, TB6钛合金的真应力-真应变曲线如图3 所示。 分析曲线可知：：：TB6钛合金的流变应力与变形温度呈负有关, 而与其应变速度呈正有关。 统一变形温度时, TB6钛合金流变应力的峰值随着应变速度的增大而升高, 揭示了合金变形时延后产生的动态软化机制; 而统一应变速度下, 变形温度的提升可强化合金的动态软化成效。 另一方面, 变形温度对流变应力的影响水平与应变速度的巨细有关, 随着应变速度的增大, 变形温度对流变应力的影响水平也越大[8]。

分析TB6钛合金热变形行为如下：：：合金中的β相在变形初期可克制移动位错的产生, 集中于晶界处的大量位错使得应力在很小的应变量(<0.05) 时即达到峰值, 随着变形量的持续增大, 合金产活泼态回复及动态再结晶, 晶界处的堆积位错陆续移动, 并伴随再结晶过程中新位错的产生, 使得移动位错急剧增长, 合金的应力值迅速降落。 此外, 与其他应变速度下情况分歧的是, TB6钛合金在应变速度为0.1s^-1时, 其应变量达到0.15 前, 峰值应力短时上升后降落, 这是由于较快的应变速度增大了晶界处的位错密度, 提升了资料抗力。 而应变速度增长至1s^-1 时,外部施加的形变能增大, 合金位错能增长, 加快了动态再结晶过程和错移移动, 流变应力减小[3]。

3、分歧变形前提对TB6钛合金微观组织的影响

本节分析应变速度(0.001、 0.01、 0.1 和1 s^-1)、变形温度 (700、 730、 760 和790 ℃) 和变形量(20%、 40%和60%) 等分歧变形前提对TB6钛合金显微组织的影响法规。

3.1 变形温度的影响

图4 展示了分歧变形温度下TB6钛合金在应变速度为0.1 s^-1、 等效应变值达到0.9 后的金相显微组织。 能够看到：：：变形温度为700 ℃时, 原始的α相在变形的作用下描摹产生扭转, 呈长条状; 变形温度提高至730 ℃时, 除存在少量长条状α相外,大部门原始的α相出现为等轴状, 这是由于合金变形温度升高而产生的再结晶球化作用; 变形温度持续提升至760 ℃时, 合金的再结晶球化成效加强,而等轴初生α相增多, 同时伴随有条状β相的弥散散布, 此时合金的α相和β相描摹不协调, 不利于锻件组织机能均匀; 当变形温度为790 ℃时, β相持续长大, 还出现了针状斜方α″相, 重要集平散布在β晶界左近[3]。 综上, 在应变速度为0.1s^-1 时,思考α相和β相描摹之间的协调均匀性, 推荐变形温度为700~760 ℃。

3.2 应变速度的影响

图5 展示了分歧应变速度下的TB6钛合金在变形温度为730 ℃、 等效应变值达到0.9 后的金相显微组织[9]。 由图5 能够看出：：：一样变形温度时, 等轴初生α相的含量与应变速度呈负有关, 应变速度越低则等轴初生α相的含量越多, 批注合金的软化作用越强。这是由于：：：当变形温度不变时, 应变速度越小, 则α相产活泼态再结晶的功夫变长, 在热变形中堆集的位错能可充分开释, 使得变形抗力减小, 软化作用加强; 同时, 在低应变速度下, β相易于向α相转变,导致α相含量增长。 对比分析分歧应变速度下α相的描摹可知, 长条状初生α相含量随应变速度的升高而降低, 等轴α相含量随应变速度的升高而增长, 批注低应变速度下TB6钛合金的α相再结晶水平更高。综上, 变形温度为730 ℃时, 思考α相的再结晶水平及其描摹, 推荐其应变速度为0.001~0.1 s^-1。

3.3 变形量的影响

图6为TB6钛合金在变形温度为760 ℃、 应变速度为0.1 s^-1 时, 分歧变形量下的金相显微组织。从图6 能够看到：：：在其他前提一样时, 随着变形量的增大, 再结晶的水平越大, 等轴初生α相的含量增长。 这是由于：：：随着变形水平的增大, 变形储能变大, 从而更有利于位错的增值及活动, 因而, 资料内部的位错密度变大, 更有利于动态再结晶的产生; 随着变形水平的增长, 变形过程的软化作用加强, 大部门长条状初生α相晶粒因产生再结晶而球化, 变为等轴状晶！！ 另一方面, TB6钛合金的机能对显微组织的敏感度较高, 等轴初生α相对其塑性有利, 而长条状初生α相则有利于其断裂韧性[10]。 综上, 针对现实锻件研制时, 思考α相的再结晶水平和锻件机能要求, 铸造过程中应合理设计合金的变形量, 以40%左右为宜, 可获得综合机能优良的TB6钛合金锻件。

4、肯定变形前提下的再结晶行为

TB6钛合金在变形温度为760 ℃、 应变速度为0.1 s^-1、 变形量为40%时的相图如图7a 所示, 其中,深色部门为β相基体, 淡色部门为α相, 其占比别离为82.9%和17.1%。 图7b 为相应的TB6钛合金反极图(Inverse Pole Figure, IPF), 由图7b 能够看出, 该热变形参数下, α相重要以等轴状为主, 而基体β相中有条状晶粒显露。 从图7c 中能够看出, 大、 中、 小3种角度晶界(其中, 大角度晶界的晶界角度θ>15°、 中角度晶界的晶界角度为2°<θ<15°、 小角度晶界的晶界角度θ<2°) 占比别离约为8.6%、 31.7%和59.8%, 同时可知, 此时α晶：：：挺戮Я５木Ы绱σ仔纬芍薪嵌染Ы绾痛蠼嵌染Ы鏪11], 相反, 小角度晶界重要是由于变形过程位错的累积蓄在于未再结晶的α相晶粒内部。

图8为变形温度为760 ℃、 应变速度为0.1 s^-1、变形量为40%时TB6钛合金分歧相的再结晶散布图。 由图8 可知, α相的再结晶分数约为14.8%, β相的再结晶分数约为4.99%。 由此能够看出：：：TB6钛合金在热变形过程中(变形温度为760 ℃、 应变速度为0.1s^-1), α相相对β相来说, 产生了更多的动态再结晶, 而β相重要以动态回复为主。 另一方面, 应变速度为0.1s^-1 时, 变形功夫较短, 好多α相晶粒来不及产活泼态再结晶, 所以动态再结晶分数较小[12]。

图9a 和图9b 别离为α相、 β相的反极图, 其中X0、 Y0、 Z0 别离为参考坐标系的坐标轴。 由图9能够看出, TB6钛合金在热变形过程中(变形温度为760 ℃、 应变速度为0.1 s^-1、 变形量为40%) α晶：：：挺戮ЯＴ谀承┓较蛏暇⑽锨康闹埂Ｕ馐怯捎讦料嗍粲诿芘帕浇峁(Hexagonal Close Packed, HCP), β相属于体心立方结构 (Body Centered Cubic, BCC)[13]。 而TB6钛合金锻件的织构区域阐发为不规定的块状。 α相在变形过程中能够分为硬取向和软取向, 硬取向变形难题, 而软取向的资料更易变形和后续球化。 其中软取向是对应的c 轴( [100] 方向) 与加载方向约莫呈55°或靠近于垂直加载的方向, 此时大量柱面和柱面滑移系开动, 堆集了较多的变形能。 因而, 再结晶的球化也优先于在滑移开动的晶粒中, 最终形成晶粒的择优取向。

5、TB6钛合金热加工图

本文以上述TB6钛合金热压缩尝试数据为基础, 绘制了TB6钛合金的热加工图, 对其功率耗散效能、 流变失稳准则进行分析, 进而可获得TB6钛合金热加工的优异工艺参数[14]。

图10为基于动态资料模型和能量耗散理论成立的TB6钛合金在变形量为60%时叠加功率耗散图与流变失稳图(图10 中阴影部门) 后获得的分歧真实应变 (0.1、 0.5 和0.9) 下的热加工图,其中, T 为变形温度, 图片 为应变速度。 由图10 可知：：：随着变形温度的增大、 应变速度的降低, 能量耗散效能因子η 逐步增大, 当变形温度为740~760 ℃、 应变速度为0.00248~0.00674 s^-1 时, 可得到相对较大的能量耗散效能, 为0.40~0.45。TB6钛合金两相区热变形时的失稳区重要集中在变形温度为700~760 ℃、 应变速度为0.01832~1 s^-1的区域。

由于热仿照压缩尝试选取变速度的应变速度, 该热加工牟利用于现实锻件的塑性加工时, 受限于大型设备使用环境, 对大型TB6钛合金锻件(有效厚度大于100 mm), 思考其较快的应变速度易导致合金流动能力差、 内部温升加快等问题, 建议选用热加工图中的低应变速度区域(0.02~0.05 s^-1)。

6、结论

(1) 当TB6钛合金的变形温度为740~760 ℃、应变速度为0.00248~0.00674 s^-1 时, 可得到相对较大的能量耗散效能, 其值为0.40~0.45。 TB6钛合金两相区热变形的失稳区重要集中在变形温度为700~760 ℃、 应变速度为0.01832~1s^-1 的区域。

(2) 铸造温度以700~760 ℃为宜。 这是由于思考到铸造产生在两相区, 变形温度过高会导致α相向β相转变的数量增多, 当变形温度达到790 ℃时, 部门β相出现条棒状描摹, 与等轴状的α相描摹之间的协调性差, 不利于锻件组织的均匀性。

(3) 铸造的应变速度领域以0.001~0.1 s^-1 为宜。 当变形温度一按时, 合金的流变应力与应变速度呈正有关, 应变速度的增长导致位错的缠绕、 塞积加剧, 延缓了动态回复和动态再结晶动力学过程,这也促使流变应力提高, 不利于锻件的精确塑性成形; 同时, 思考到α相的再结晶水平及其描摹, 应选择应变速度为0.001~0.1 s^-1。

(4) 铸造的变形量以40%左右为宜。 随着变形量的增大, 合金再结晶的水平越大, 长条状初生α相称轴产生再结晶而球化转变为初生α相, 综合思考TB6钛合金两相区变形时钛合金两种描摹的α相含量对其综合机能的影响, 铸造变形量以40%左右为宜。

(5) 变形温度为760 ℃、 应变速度为0.1 s^-1 前提下, α相重要以等轴状为主, 而β相中有条状晶粒显露。 此时大、 中、 小3 种角度晶界占比别离约为8.6%、 31.7%和59.8%, α晶：：：挺戮Я５木Ы绱σ仔纬芍薪嵌染Ы绾痛蠼嵌染Ы, 相反小角度晶界重要是由于变形过程位错的累积蓄在于未再结晶的α相晶粒内部。

(6) 变形温度为760 ℃、 应变速度为0.1 s^-1 前提下, α相的再结晶分数约为14.8%, β相的再结晶分数约为4.99%。 相对β相而言, α相产生了更多的动态再结晶, β相重要以动态回复为主; 在热变形过程中, α晶：：：挺戮ЯＴ谀承┓较蛏喜⑽锨康闹埂

文章引用：：：徐安然, 花魁, 郭楠等. TB6钛合金两相区变形行为及组织演变法规[J]. 锻压技术, 2024, （10）