等温锻造工艺对TB6合金组织性能的影响

等温锻造工艺对 TB6合金组织性能的影响

王美姣

陆军装甲兵学院士官学校，长春， 130000

摘 要: TB6合金是一种为适应损伤容限性设计原则而产生的高结构效益、高可靠性和低制造成本的锻造钛合金。本文主要介绍了等温锻造过程中变形温度，应变速率，热处理制度对该合金组织性能的影响。

关键词: TB6合金；等温锻造；应变速率；显微组织

1 概况

TB6合金是美国Timet公司与1971年研制成功的，是迄今为止应用最为广泛的一种高强韧近β钛合金。TB6合金的出现，解决了钛合金的淬透性和组织均匀性结合问题。β相转变温度较低，提供了低的金属热加工温度，此合金能在比Ti-6AI-4V钛合金以正常的压力锻造时所采用的温度低100~150℃进行锻造。这使得模具寿命和成本大为降低。

等温锻造是近几年发展起来的一种先进锻造技术，是精化锻件的一种有效方法。等温锻造是模具与工件始终保持相同的温度，以低应变速率进行变形的一种锻造工艺。因此等温锻造对于TB6来说是一种相当好的加工方法^[1]。

2 试验方法

根据钛合金的相变点及常用的变形温度范围，钛合金锻造可以分为β锻造、近β锻造和（α+β）锻造。β锻造的锻造温度一般高于β相变点温度50~150℃，近β锻造的锻造温度一般在相变点温度以下10~30℃的范围内，（α+β）锻造又称为常规锻造，其锻造温度一般在相变点温度下50~150℃的范围内。

应变速率的选取主要根据设备所能达到的应变速率来确定，常用锻压设备的工作速率和应变速率如表1所示：

表1 常用锻压设备的工作速率和应变速率

另外，钛合金变形量要避免2%～12%的临界变形量，同时也不能超过85%的变形量，以避免晶粒粗大^[2]。

综上，本文TB6合金的试验方案参数选择如下：

1. 变形温度：700℃，740℃，780℃，820℃，860℃。

2. 应变速率（s^-1）：0.001，0.01，0.1，1。

3. 变形程度：最大变形程度85%

4. 冷却方式：空冷

3 变形温度和应变速率对合金流动应力的影响

图1a、1b别表明应变速率为0.001s^-1和1s^-1时，变形温度对流动应力-应变曲线的影响情况。从图1可看出，变形温度对合金的流动应力有显著影响的是图1a，流动应力曲线随变形温度的升高而降低，并且随应变量的增大而下降的趋势在较高温度和较低温度是不同的。流动应力达到最大值后，在（α+β）两相区较低温变形时（曲线1），曲线下降的趋势与（α+β）两相区较高温度（曲线2、3）和β单相区（曲线4、5）不同。后者有明显的屈服现象，即达到最大值后流动应力突然迅速下降，这是较高温度下足够大的动态再结晶软化的明显特征。前者没有明显的屈服现象，曲线要达到最大值和进入稳态阶段均需要较大的变形量，而且应变速率越高，进入稳态变形阶段所需的变形量越大。这是由于应变速率高，变形温度低，原子活动性差，扩散不易进行，因而位错塞积需达到一定程度后才逐渐发生动态再结晶。而应变速率为0.001s^-1时的应力-应变曲线几乎没有屈服现象。这是因为较慢的应变速率下变形时间长，材料本身有足够的时间进行软化，因此曲线达到最大值后直接进入稳态阶段(图1b)。此外，（α+β）两相区较低温度变形除了再结晶软化外，还因应力诱发相变导致β相增多而使流动应力下降^[3]。

图1 不同应变速率条件下温度对流动应力-应变曲线的影响

注：图中曲线为1-700℃，2-740℃，3-780℃，4-820℃，5-860℃

由图1的对比中可以看出，变形温度对流动应力的影响程度与应变速率大小有关。在应变速率较快(1s^-1)的变形条件下(图1a)，温度由700℃提高到860℃时，最大流动应力值下降约180Mpa，而在应变速率0.001s^-1的慢速变形条件下(图1b)，温度同样升高160℃，最大流动应力值下降仅为40Mpa。这是因为在较快速度变形时，加工硬化严重，此时提高变形温度，可以大大加强回复和再结晶软化过程，从而使流动应力显著下降；而在慢速变形时，因有足够的时间完成动态回复和再结晶，各种温度下的软化过程均可完全消除加工硬化，使材料进入稳态变形状态，所以此时变形温度对流动应力的影响作用减弱。

3应变速率对组织和性能的影响

图2为变形温度在740℃时，不同的应变速率对材料组织的影响。图2a为应变速率0.001s^-1时变形后的组织，在这种变形条件下，基体上析出的α相为棒状和少量球状，并且有明显的不均匀现象。当变形温度不变，应变速率升高到0.01s^-1时，基体上析出的α相变短变粗，球状α相数量明显增多(如图2b)。当变形速率升高到0.1s^-1时，α相的数量明显减少，取而代之的是，在β基体上有大量亚晶出现，晶粒尺寸减小(如图2c)。继续增大变形速率，当变形速率增大到1s^-1时，由于变形速率过快，晶界α相减少，晶界变得模糊，组织变得均匀。对比可见，在相同的等温压缩温度下较快速变形时(ε=1s^-1)，所得显微组织比较细小均匀(如图2d)。这主要是由于在较快速度变形时畸变能增加较快，为动态再结晶形核提供了足够的驱动力，容易使晶粒细化和等轴化。而慢速变形时(ε=0.1s^-1)，由于变形时间较长，晶粒容易长大，初生α相及组织变得比较粗大，在晶内形成的亚晶β晶界也比较明显(如图2c)。

图2 不同应变速率压缩后合金的显微组织(500×)

注：a:0.001s^-1，b:0.01s^-1，c:0.1s^-1，d:1s^-1

4 变形量的影响

1）在变形温度为780℃的条件下，不同变形量对材料组织的影响

图3为变形温度为780℃的条件下，不同变形量对材料组织的影响。图3a的变形量为30%，图3b的变形量为50%，图3c的变形量为70%。可见，在较小的变形量下，由于变形不充分，只能使部分条状α破碎，所以球状α相比例较少，因此这种条件下材料的组织与原始组织相差不大，随着变形量增加到50%时，虽有更多的α相被破碎，但晶界依然平直而明显，且组织变得不均匀；当变形量增大到70%时，由于较大的变形量导致晶粒破碎明显，α相尺寸减小，晶界α相和晶粒均得到不同程度的破碎，晶内条状α长宽比减小，晶粒模糊，没有观察到连续的晶界α（如图3c）。

图3 780℃条件下不同变形量压缩后合金的显微组织(500×)

注：a:30%，b:50%，c:70%

2） 在变形温度为820℃的条件下，不同变形量对材料组织的影响

图4为变形温度为820℃的条件下，不同变形量对材料组织的影响。图4a是变形量为30%的组织，图4b是变形量为50%的组织，图4c是变形量为70%的组织。由于变形温度升高（由740℃升高到820℃），同样是30%的变形量，组织也有较大区别，α相析出不均匀，β基体上析出的α相为长棒状和少量球状。当变形量增加到50%时，α相的不均匀性较740℃变形时有了明显的改善，晶粒尺寸减小，球状α相增多，组织的呈编织状。当变形量增大到70%后，晶界α相增多，β基体上的α相减少。

图4 820℃条件下不同变形量压缩后合金的显微组织(500×)

注：a:30%，b:50%，c:70%

综上所述，在慢速变形时，流动应力大幅下降，有利于金属充满型腔，成型复杂形状的锻件，但因变形时间长，组织容易粗化。均匀细小的显微组织对提高锻件的强度、塑性及疲劳性能有利，所以应从锻件成型、组织性能及成本进行综合考虑，在锻件良好成型的前提下，采取较低的等温塑性变形速度和较高的变形温度。

5 热处理制度对合金组织和性能的影响

由于TB6合金在相图中的特殊位置，从而决定了它的相变过程的多样性。热处理制度显得尤其重要。TB6合金有两种热处理制度，固溶处理和时效处理。

5.1固溶处理

由图6可以看到，随着固溶温度的提高，材料的屈服强度和塑性都呈下降趋势。700℃固溶后，材料的性能较原始性能并没有明显变化。大于700℃固溶后材料的强塑性都有了明显的下降。超过740℃后，塑性的下降趋势更明显，尤其是在860℃固溶时，材料的强度下降了17%，而材料的塑性下降了75%。

图6 固溶温度对合金强塑性的影响

图7a试样为原始试样，可见在退火状态下，合金的组织中α相呈现两种状态，一种呈棒状，另一种呈等轴状。两种状态的α相均匀分布在β基体上。经过700℃/2h固溶后，金相组织的变化并不大（如图7b），与原始组织没有太大差异。随着固溶温度的升高，基体和晶界中的α相含量减少，形貌逐渐球化。固溶温度升高到780℃时（如图7c），基体上析出的α相基本等轴化，且分布不均匀。当固溶温度达到相变点(820℃)时（如图7d），由于固溶温度较高，利于原子扩散，因此该固溶温度下的合金微观组织较780℃时均匀的多。当固溶温度达到相变点以上时（如图7e），基体上的初生α相已经基本消失，晶界几乎不见。但因为TB6合金为β合金，合金中的β稳定元素含量多，β相的稳定性大。随着温度的逐渐升高，基体中的α相含量减少，从而合金的塑性逐渐降低，但因固溶后产生的α相为初生α相，对合金的强度并没有贡献，因此合金的强度无法提高。

图7 固溶温度对材料组织的影响（500×）

5.2时效处理

如图8可见，在固溶温度（820℃）相同的前提下，随着时效温度的升高，材料的屈服强度降低，塑性升高。当时效温度为320℃时，材料的屈服强度相对于原始试样有个明显的提高，这是因为时效后组织中生成次生α相的强化效果。之后，随时效温度的升高，强度开始大幅下降，延伸率明显增加。

图8 不同时效温度对强塑性的影响

图9a试样的经320℃时效，由于时效温度较低，原子扩散较慢，基体上的次生α相析出数量较少，初生α相的尺寸较大，因此该组试样的强度很高，塑性很低。升高时效温度（如图9b：460℃），基体中的次生α相尺寸增大，等轴化程度增加，因此合金的强度大幅降低，塑性明显增加。继续升高时效温度（如图9c：600℃），次生 相的尺寸随时效温度的升高继续长大，因此强度继续下降。

图9 时效温度对固溶时效试样组织的影响（500×）

上述试验可见，在固溶条件下，合金中无次生α相析出，材料的屈服强度随固溶温度的升高，塑性随初生α相数量的减少而降低。时效处理后，在合金组织中析出次生α相，此时材料的屈服强度比时效前明显提高，且随固溶温度的升高而较快升高。这主要是次生α相析出强化的结果，合金的强度随次生α相数量的增多而增强。次生α相尺寸随着时效温度的升高而增大，合金的强度却随着次生α相尺寸的增大而减弱。可见，次生α相相对合金强度的影响比初生α相的影响要大得多；次生α相的强化效果随初生α相的数量的减少表现更强。

6 总结

1）变形温度和应变速率对TB6钛合金的流动应力都有很大的影响。在变形温度一定时，随应变速率的升高，流动应力的峰值点呈上升趋势；在应变速率一定时，随变形温度的升高，流动应力的峰值点呈下降趋势。在两相区较低温度变形时，流动应力达到最大值和进入稳态阶段均需要较大的变形量，而且应变速率越高，进入稳态变形阶段所需的变形量越大。

2）变形温度和应变速率对TB6合金的组织也有显著影响。在相同应变速率下，随着温度的升高，初生α相体积分数逐渐减少，同时，α相颗粒的尺寸也呈现减小趋势。在相同试验温度下，高应变速率下获得的α相组织显得细小均匀；而在变形速率较低情况下，显微组织粗大，α相也呈现粗化和聚集现象。

3）在固溶条件下，合金中无次生α相析出，材料的强度随固溶温度的升高，初生α相数量的减少而降低。时效处理后，在合金组织中析出次生α相，此时材料的强度比时效前明显提高，且随固溶温度的升高而较快升高。这主要是次生α相析出强化的结果。可见，次生α相相对合金强度的影响比初生α相的影响要大得多；次生α相的强化效果随初生α相的数量的减少表现更强。

参考文献

[1]莫畏主编. 钛[M]. 冶金工业出版社, 2008:1

[2] Burke J, Mahrabian R. Advances in Metal Processing[J]. New York:Plenum Press,1981:133

[3] 王乐安. 难变形合金锻件生产技术[J].国防工业出版社,2005:249