Ti46Al2Cr4NbY合金的高温变形及加工图

第20卷专辑1中国有色金属学报2010年10月Vol.20Special1TheChineseJournalofNonferrousMetalsOct.2010文章编号：1004-0609(2010)S1-s0233-04Ti-46Al-2Cr-4Nb-Y合金的高温变形及加工图孔凡涛，张树志，陈玉勇(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150001)摘要：采用Gleeble−1500热压缩模拟试验机进行压缩实验，在变形温度为1100~1250℃、应变速率为10−2~1s−1的范围内，研究Ti-46Al-2Cr-4Nb-Y合金的高温变形行为，并基于动态材料模型，建立Ti-46Al-2Cr-4Nb-Y合金的加工图。结果表明：Ti-46Al-2Cr-4Nb-Y合金的高温变形流变应力对温度及应变速率敏感；流变应力随应变速率的增大而增大，随温度的升高而减小；动态再结晶是导致流变软化及稳态流变的主要原因；Ti-46Al-2Cr-4Nb-Y合金的安全热加工区域为温度1200~1230℃，应变速率10−2~10−1s−1。关键词：TiAl合金；高温变形；动态再结晶；加工图中图分类号：TG146.2文献标志码：AHotdeformationandprocessingmapofTi-46Al-2Cr-4Nb-YalloyKONGFan-tao,ZHANGShu-zhi,CHENYu-yong(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)Abstract:ThehotdeformationbehaviorofTi-46Al-2Cr-4Nb-YalloywasinvestigatedbyhotcompressivetestsonGleeble−1500thermalsimulationtestmachineinthetemperaturesrangeof1100~1250℃andstrainraterangeof0.01~1s−1.Basedondynamicmaterialsmodel,theprocessingmapfortheTi-46Al-2Cr-4Nb-Yalloywasobtained.Theresultsshowthattheflowstressissensitivetotemperatureandstrainrate.Andtheflowstressincreaseswithincreasingthestrainrateanddecreaseswithincreasingthedeformation,thesmallertheflowstress.Dynamicrecrystallizationisthemainreasonforflowsofteningandstableflow.ThehotdeformationofTi-46Al-2Cr-4Nb-0.2Yalloycanbecarriedoutsafelyintheregionwithastrainraterangeofaround10−2−10−1s−1andtemperaturerangeofaround1200−1230℃.Keywords:TiAlalloy;hotdeformation;dynamicrecrystallization;processingmapγ-TiAl金属间化合物中金属键和共价键共存，使之兼有金属和陶瓷的性能，如高熔点、低密度、高弹性模量、好的高温比强度及优异的高温抗氧化性等优点，是一种可以替代钛合金和某些镍基合金在高温条件下使用的备选材料，但是TiAl合金的本质特征决定了其是一种难变形材料，这大大限制该材料工业化的生产应用[1−2]。近年来，基于动态材料模型(Dynamicmaterialsmodel,DDM)加工图的研究快速发展，并成功应用于铝合金、镁合金、钛合金以及金属间化合物等材料的高温变形机理研究上[3−5]。根据动态材料模型，进行热加工变形的工件是一个非线性能量耗散单元。外力输入的能量主要表现在如下两个方面：一个是塑性变形，大部分转为热量，也有小部分储存在材料中；另一个是显微组织转变，如相变、回复、再结晶等。用于塑性变形的能量用G表示，用于显微组织转变的能量用J来表示。在热加工过程中，外力对材料所输入的能量(P)可表示如下：基金项目：新金属材料国家重点实验室开放基金资助项目通信作者：孔凡涛；电话：[phone]；E-mail:[e-mail]中国有色金属学报2010年10月s234∫∫+=+==σεεσεσεσ00ddJGP(1)式中：σ为流动应力；ε为应变速率。在一定外力下，这两种能量所占的比例定义为应变速率敏感指数m：)(lgd)(lgdddddεσεσσε===GJm(2)根据动态材料模型，能量的耗散取决于材料的加工流变行为，符合幂指数方程：=mkσε(3)式中：k为常数。因此，εσσεσ1d0+==∫mmJ(4)当m=1时，材料处于理想线性耗散状态，J达到昀大值Jmax，εσ21max=J(5)引入一个反映材料功率耗散特征的无刚量参数功率耗散效率η，即12max+==mmJJη(6)参数η描述了材料在给定温度和应变范围内起不同作用的微观机制，是ε、ε以及T的函数，可以在ε与T所构成的平面上画η的等值线投影图，即功率耗散图。根据塑性加工中大应变塑性变形的极大值原理，当dD/dε＜D/ε时，出现失稳，D是给定温度下的耗散函数。按照动态材料模型，D=J，由此可以得到流变失稳判据：mmm+∂+∂=εεεln)1ln()(＜0(7)参数ε(ε)作为ε与T的函数，在能量耗散图上标出该值为负的区域，称为流变失稳区域，该图便是流变失稳图。流变失稳判据的物理意义如下：假设施加在系统上的应变速率为S0，如果系统不能以应变速率S(S＞S0)使系统产生熵，那么当系统承受应变速率S以上的速率时，会产生局部流变或者产生流变失稳。本文作者通过高温压缩实验，分析Ti-46Al-2Cr-4Nb-Y合金在高温压缩过程中流变应力与温度和应变速率等变形条件的关系以及流变应力的变化规律，并根据动态材料模型，建立Ti-46Al-2Cr-4Nb-Y合金的热加工图，据此分析压缩过程中组织变化规律和软化机理，提出合理的塑性加工区，为优化TiAl合金的热加工技术奠定基础。1实验实验用原材料为海绵钛(＞99.7%)，高纯铝(＞99.99%)，其他添加元素均为添加金属与铝的中间合金。合金名义成分分别为(摩尔分数，%)：Ti-46Al-2Cr-4Nb-Y。按照设计的成分配比后，在水冷铜坩埚真空感应熔炼炉中熔炼成合金材料，并切割成实验用试样，试样实测成分分别为Ti-44.55Al-2.05Cr-3.92Nb-0.26Y(摩尔分数，%)。将试样进行均匀化退火处理(900℃，48h)和热等静压处理，热等静压处理采用氩气作为保护气氛，边升温边充氩气直至170MPa，然后开始在1250℃下保温4h后随炉缓冷。热压缩模拟在GLEEBLE−1500热压缩模拟试验机上进行，试样经线切割制备成d8mm×12mm的标准试样，应变速率分别为0.01、0.05、0.1、0.5和1s−1，变形温度分别为1100、1125、1150、1175、1200、1225和1250℃，变形量为60%。为了减小压头与试样间的摩擦，在试样端面涂抹石墨加以润滑。以升温速率为10℃/s升温，达到预定温度后保温1min，然后以预定实验速率开始压缩。变形结束后立即水淬，以保留高温下的变形组织进行后续的组织分析。变形后的试样经锯切、镶嵌、研磨和抛光后，采用扫描电子显微镜(SEM)观察高温变形后的显微组织。2结果与讨论2.1变形条件的影响通过Ti-46Al-2Cr-4Nb-Y合金的热压缩模拟，可得到不同温度及应变速率条件下的真应力—真应变曲线，典型的真应力—真应变曲线如图1所示。由图1可以发现，在相同温度下，流变应力随应变速率的增大而增大，在相同应变速率下，温度越高，流变应力越小。流变应力的变化受加工硬化及动态软化两个因素的影响，两者在加工过程中同时进行，通过相互竞争决定起主导作用的因素。加工硬化主要是由于位错密度增加，导致位错塞积，在曲线上表现为流变应力随变形量的增加而不断提高。对于Ti-46Al-2Cr-4Nb-Y第20卷专辑1孔凡涛，等：Ti-46Al-2Cr-4Nb-Y合金的高温变形及加工图s235合金来说，动态软化主要表现为以下两个方面：1)在相同应变速率下，随着变形温度的升高，发生有序−无序转变，金属原子热振动的振幅增大，原子间的相互作用力减弱，滑移阻力减小，新滑移不断产生，使变形抗力降低；2)高温下动态再结晶导致变形抗力降低，这在图1的曲线上表现得非常明显。图1不同温度及应变速率下Ti-46Al-2Cr-4Nb-Y合金的热压缩变形真应力—真应变曲线Fig.1Truestress—truestraincurvesofTi-46Al-2Cr-4Nb-Yalloyduringhotcompressiondeformationatdifferenttemperaturesandstrainrates:(a)1100℃;(b)1175℃;(c)1250℃2.2加工图根据动态材料模型，按照合金在不同应变速率、不同温度下获得的流变应力值得到Ti-46Al-2Cr-4Nb-Y合金在应变为0.5时的加工图，结果如图2所示。图2中阴影区域由于应变速率较高，为失稳区，外力对材料做的功大部分转变成塑性变形的能量，功率耗散效率比较小，宏观上表现为试样开裂，不适合热加工。在整个应变速率低于0.1s−1的区间，功率耗散效率较高，容易发生动态再结晶，其中温度在1150~1180℃范围内，为发生α2+γ→α+γ相变区域；在温度为1200~1230℃区间，功率耗散效率超过0.5，易发生完全再结晶，有利于材料的高温变形。图2Ti-46Al-2Cr-4Nb-Y合金的加工图Fig.2ProcessingmapforTi-46Al-2Cr-4Nb-Yalloyatstrainof0.52.3高温变形过程中的组织演变Ti-46Al-2Cr-4Nb-Y合金在不同热变形条件下，显微组织会发生显著转变，合金的典型组织变化如图3所示。TiAl合金由于层错能较低，动态再结晶容易发生。由图3可以发现，Ti-46Al-2Cr-4Nb-Y合金的变形温度及应变速率显著影响动态再结晶过程。变形温度的增加和应变速率的降低，均可以促进动态再结晶的发生。在应变速率低于0.1s−1的范围内，均有动态再结晶发生，再结晶晶粒均为等轴的γ晶粒。当变形温度达到或超过1200℃、应变速率低于0.1s−1时，合金发生完全动态再结晶(见图3(d))。在温度为1200~1225℃、应变速率低于0.1s−1的变形条件下，等轴γ再结晶晶粒的尺寸非常细小、均匀，其晶粒尺寸只有5~10μm。对TiAl合金热加工来说，细化晶粒及动态再结晶均是有益的。动态再结晶可导致流变软化并同步形成稳态流变，这均有利于高温变形。当温度达到1250℃时，在较低的应变速率条件下(≤0.1s−1)，发中国有色金属学报2010年10月s236现大量的层片晶团析出，并发生再结晶晶粒长大的现象(见图3(e))，这不利于TiAl合金的后续热加工。上述结果与加工图的结果是一致的。结合Ti-46Al-2Cr-4Nb-Y合金的加工图及显微组织的变化规律，可确定其安全的变形条件如下：温度为1200~1230℃，应变速率为0.1~0.01s−1。3结论1)Ti-46Al-2Cr-4Nb-Y合金高温变形流变应力对温度及应变速率敏感。流变应力随应变速率的增大而增大，随温度的升高而减小。动态再结晶是导致流变软化及稳态流变的主要原因。2)基于动态材料模型，建立了Ti-46Al-2Cr-4Nb-Y合金加工图。确定安全的热加工区域如下：温度为1200~1230℃，