TC4-DT合金晶粒細化工藝及超塑性變形行為研究.pdf

1、鈦合金因具有密度小、比強度高、耐腐蝕和耐高溫等優(yōu)點,已成為航空航天等工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。然而,鈦合金對鍛造變形溫度和變形速率非常敏感,因此對于鈦合金大型復雜結(jié)構(gòu)件,常規(guī)鍛造成形非常困難。由于超塑性變形具有流動應力小、變形較均勻和延伸率高等特點,因此,應用超塑性成形技術(shù)是解決鈦合金大型復雜結(jié)構(gòu)件難成形難題的有效途徑。本文的主要工作和研究結(jié)果如下:
　　TC4-DT是一種損傷容限型的鈦合金。供應態(tài)的TC4-DT合金平均晶粒尺寸為7

2、0μm,晶粒比較粗大,超塑成形性能較差。為了提高其超塑成形性能,本文首先采用三維鐓拔工藝制備出平均晶粒尺寸為15μm的等軸TC4-DT合金,其工藝是:在1000℃溫度下β單相區(qū)鍛造變形后快速水冷,然后在950℃溫度下α+β雙相區(qū)鍛造變形后空冷。細化后的TC4-DT合金的室溫與高溫力學性能均得到了大幅度提高。鍛后TC4-DT合金的室溫拉伸斷口SEM形貌表明:形變細化處理后試樣斷口為韌性斷裂,供應態(tài)粗晶試樣的斷口為準解理斷裂。TC4-DT合

3、金形變熱處理過程中的微觀組織演變研究結(jié)果表明:TC4-DT合金形變熱處理工藝細化晶粒的主要機制是形變誘導晶粒細化,通過大塑性變形使得晶粒破碎而細化,β鍛后水冷獲得的細小馬氏體組織有利于微觀組織在α+β區(qū)變形過程中的進一步細化和等軸化。
　　本文分別采用恒應變速率法、最大m值法和應變誘發(fā)最大m值法,完成了TC4-DT合金的超塑性拉伸試驗。恒應變速率拉伸時,在變形溫度850~900℃和應變速率3.3×10–4~1.1×10–2s–1的

4、條件下,鍛后 TC4-DT合金的延伸率為185％~631%。采用最大m值法和應變誘發(fā)最大m值法,鍛后的TC4-DT合金在變形溫度870℃時的延伸率分別為1233%和1033%;與最大m值法相比,應變誘發(fā)最大m值法的變形效率提高了86%。同時,研究了細化后TC4-DT合金的超塑性力學行為及微觀組織演變。恒應變速率拉伸時,在較高變形溫度和較低應變速率下,流動應力曲線呈現(xiàn)出顯著的應變硬化效應,其主要原因是高密度位錯以及超塑性變形時的晶粒動態(tài)長

5、大。結(jié)合定量金相、掃描電鏡等的研究結(jié)果表明:(1)存在不同程度的晶粒粗化;(2)發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶;對于恒應變速率拉伸,在較高變形溫度和較低應變速率下,表觀變形激活能Q值與晶界自擴散激活能相近,表明此時晶界擴散是主要速率控制機制;該合金在高溫塑性變形時,流變應力隨應變速率的增加而升高,隨溫度的升高而顯著降低,求得其熱變形激活能Q為153.016KJ/mol。同時流變應力、應變速率、變形溫度滿足以下關(guān)系式:
　　??=3.74×108

6、[sinh(0.02385527?)]2.70981333exp[﹣153.016225×103/RT]
　　最大m法超塑性變形時,TC4-DT合金的超塑性變形機制為擴散蠕變協(xié)調(diào)的晶界滑移機制;在最佳超塑性變形溫度870℃下獲得了最大延伸率1233%。
　　應變誘發(fā)超塑變形在前期恒速變形階段,由于變形時間短,隨應變增加造成的硬化得不到及時松弛,此時變形主要以晶內(nèi)滑移為主,在后期最大m法超塑變形階段,初期表現(xiàn)出應變硬化現(xiàn)象,流

7、動應力迅速增加到峰值,然后再結(jié)晶產(chǎn)生應變軟化和變形量增加導致的應變硬化的共同作用,引起了應力呈現(xiàn)鋸齒狀,應力總體趨勢下降,直到試樣斷裂。綜上所述,應變誘發(fā)超塑變形主要機制是晶界滑移,以動態(tài)回復和動態(tài)再結(jié)晶為晶界變形的輔助機制。改鍛后TC4-DT的超塑性明顯高于改鍛前,延伸率平均提高了203%。TC4-DT合金在同一溫度下的延伸率變化隨著預應變量的增加,先增后減,在同一預應變量ε下的的延伸率變化隨著溫度的增加,先增后減。其應變誘發(fā)超塑性變