Ti65鈦合金板材在不同熱成形參數下的力學性能與顯微組織關聯研究 ——從峰值應力變化規律到等軸狀韌窩數量與塑性的適配性

鈦合金因低密度、高比強度、耐腐蝕等獨特優勢，在航空、航天、兵器等領域備受青睞[1]。鈦合金在高溫環境中仍有較高力學性能、蠕變抗力、抗氧化能力，常用來生產航空發動機熱端部件、高速飛機蒙皮等鈑金零件，隨著我國航空產業飛速發展，其應用前景廣闊[2-3]。經半個多世紀的發展，逐漸形成了IMI-xxxx、BTxx、Ti-xxxx等一系列尚溫鈦合金。我國開發的Ti55、Ti60和Ti65合金應用溫度升至650℃。Ti65是Ti-AlSn-Zr-Mo-Si-Nb-Ta-W-C合金體系的近α型鈦合金。

Jia等14]研究了鈦合金在高溫下的變形行為，揭示了在單相場中流動軟化是由動態回復和再結晶引起，而雙相場中流動軟化由α的破碎和球化造成。Balasundar等[5]:提出在P區速率控制變形機理主要由林位錯的交叉作用，建立了α+β和β區的材料本構模型，開發了基于動態材料模型的加工圖。Yue等16]研究了Ti65合金在固溶處理后冷卻速率對拉伸行為影響，發現冷卻率增加有助于強度和伸長率提高，室溫下塑性差異主要由孿晶引起的相容變形和(:^的厚度與體積分數共同決定，空冷樣品室溫下為準解理斷裂，高溫下為韌性斷裂。Ebied等[7[通過等溫壓縮試驗研究鈦合金的熱變形行為，高溫流動應力曲線顯示壓縮過程未產生硬化，而在高應變率下動態回復比動態再結晶更明顯。Han等(8]開發了一種適用Ti65鈦合金的高溫氧化防護涂層，該涂層具有與Ti65合金基體相容的熱膨脹系數，且兼具良好的化學穩定性和抗熱震性。吳汐玥等[9]研究了不同熱處理狀態下Ti65板材，發現熱處理明顯改變了板材組織和織構，織構是影響板材各向異性的主要因素。在高溫拉伸時，顯微組織和織構種類不同導致強度變化。Zhang等^研究Ti65熱軋板蠕變后的取向行為，發現77)方向以（1216)[1211]和(0113)[1211]為主，蠕變機制主要由擴散和晶界滑動引起;方向以（1210)[1010]為主，蠕變機制主要由滑移引起。同時優化時效處理工藝使合金強韌性均提高，確定強度提高由于(TiZr)3Si和Ti3Al的析出，塑性提高歸因于(^與^，比例優化。Yue等[|2]利用透射電鏡(TEM)和原子探針斷層掃描（APT)對熱處理后的Ti65鈦合金進行表征，并觀察到除Sn外，其它合金元素傾向聚集在α和β相。合金元素在(3相富集的順序是Zr、Nb、Ta、MO、W。

目前對Ti65合金熱成形工藝的研究鮮少,成為限制其在航空鈑金領域應用的主要原因。為研究Ti65合金生產的最佳溫度和應變率,本文作者利用高溫拉伸測試Ti65合金在不同溫度和應變率下的力學性能，為Ti65合金在熱成形加工中提供理論指導。

1、試驗方法

材料為2nun厚的軋制Ti65合金板材，化學成分如表1所示。沿板材軋制方向線切割試驗所需樣品，如圖1所示。

通過MTSExceedE45.305電子高溫材料試驗機測試不同條件下Ti65合金力學性能。溫度分別為740、790、840X；，應變率分別為0.0012、0.0018,0.0024s^-1。

觀察板材原始試樣的顯微組織，金相樣品分別經240、400、600、800、1000、1200*砂紙打磨，拋光至光滑鏡面，經腐蝕得到最終觀察樣品。用場發射電子掃描電鏡(SEM)觀察拉伸后斷口形貌。

2、結果

2.1金相組織

圖2為原始板材的金相組織。原始板材為典型的等軸組織，由等軸α相、變形α相和少量的晶間β相構成，同時局部位置能觀察到軋制變形流線。

2.2高溫力學性能

圖3為不同溫度下Ti65鈦合金板材沿ftD方向的應力-應變曲線。圖4為790℃不同應變率下的應力應變曲線。不同溫度和應變率的峰值應力如表2所示。

2.3斷口形貌

圖5為Ti65板材分別在740、790的拉伸斷口。

3、分析討論

3.1溫度對高溫力學性能的影響

圖3中的高溫下拉伸曲線，在初始階段應力迅速達到峰值，然后隨應變增加而下降。因為初始變形階段位錯密度驟增，產生加工硬化，但隨變形時間的延長，溫度增加了原子動能，降低位錯阻力，同時發生動態回復和再結晶，使動態軟化占主導作用，減小變形抗力[13-14]。

圖6為不同溫度下峰值應力。溫度對板材力學性能有顯著影響，隨溫度升高峰值應力不斷降低[15]。這是因為溫度提高降低了滑移系的臨界剪切應力，從而降低位錯滑移所需的外力，導致峰值應力下降[16-17]。

790℃下Ti65鈦合金板材的峰值應力較低,840℃下峰值應力更低，雖然在設備的允許范圍內，但為提高加工效率、模具壽命和工件表面質量，故選790℃作為熱成形最佳溫度。

不同溫度峰值應力下的軟化程度差異明顯，740℃的軟化程度明顯高于另外兩個溫度，這是因為應變硬化與動態回復和再結晶的競爭程度不同，溫度越低導致兩者競爭強烈,軟化越明顯。

3.2應變率對高溫力學性能的影響

圖7為不同應變率下的峰值應力。應變率對板材力學性能影響顯著，隨應變率升高峰值應力不斷升高(15]。應變率升高有助于增加位錯密度，促進硬化作用。同時應變率的增加使動態回復和再結晶進行不充分，削弱其軟化作用[16-17]。

3.3高溫斷裂機制

圖5中斷口存在方向不一的孔洞聚合路徑，最終斷裂由這些聯合路徑引起，所以高溫下斷裂形式為塑性斷裂[6]。但不同溫度下的斷口孔洞差異明顯。隨溫度升高，小尺寸靭窩的數量逐漸增加。在740℃斷口存在許多分布不均的大尺寸孔洞（圖5b)，而790℃存在數量眾多、分布均勻的小尺寸孔洞（圖5d)。韌窩越多，說明塑性越高[18]。

4、結論

1)Ti65鈦合金在740℃、應變率為0.0018s^-1時，峰值應力最大為381.1MPa,在840℃、應變率為0.0018^-1時，峰值應力最小為138MPa。

2)隨溫度的升高，峰值應力逐漸減??；隨應變率增加，峰值應力逐漸增加。溫度增加和應變率降低能

減小Ti65鈦合金變形抗力。

3)高溫環境下斷裂由微孔聚集引起，溫度越高等軸狀靭窩數量越多，有利于塑性的提高。

5、參考文獻

[1] 趙永慶，葛鵬，辛社偉. 近五年鈦合金材料研發進展[J].中 國材料進展，2020,39(Z1) : 527-534.

ZHAO Yongqing, GE Peng, XIN Shewei. Progresses of R&D on Ti-alloy materials in recent 5 years [Jj. Materials China, 2020,39(Zl)：27-534. (in Chinese)

[2] 陸子川，張緒虎，微石，等.航天用鈦合金及其精密成形技術 研究進展[?!].宇航材料工藝,2020,50(4): 1-7.

LU Zichuan,ZHANG Xuhu,WEI Shi,et al. Research progresses of titanium alloys and relevant precision formingtechnology for the aerospace industry [j]. Aerospace Materials & Technology

,2020,50( 4) ： 1 -7. (in Chinese)

[3] BOYER R R. An overview on the use of titanium in the aerospace industry [j]. Materials Science & Engineering A, 1996, 213(0:103-114.

[4] JIA Weiju,ZENG Weidong,ZHOU Yigang,et al. High-temperature deformation behavior of Ti60 titanium alloy [J]. Materials Science & Engineering A, 2011,528 ( 12)： 4068-4074.

[5] BALASUNDAR I, RAVI K R,RAGHU T. On the high temperature deformation behaviour of titanium alloy BT3-1 [j]- Materials Science & Engineering A ,2017,684(5): 135-138.

[6] YUE Ke,LIU Jianrong,ZHU Shaoxiang,et al. Origins of different tensile behaviors induced by cooling rate in a near alpha titanium alloy Ti65[j]. Materialia,2018,1 ： 128-138.

[7] EBIED S, HAMADA A, BOREK W ,et al. High-temperature deformation behavior and microstructural characterization of high-Mn bearing titanium-based alloy [j]. Materials Characterization,2018,139(5) ： 176-185.

[8] HAN Rifei,TARIQ N U H,LI Jiayi,et al. A novel phosphateceramic coating for high temperature oxidation resistance of Ti65 alloys[j]. Ceramics International,2 0 1 9 ,4 5 (1 8 )：23895- 23901.

[9] 吳汐玥，陳志勇，程超，等. 熱處理對Ti65鈦合金板材的顯微 組 織 、織構及拉伸性能的影響[J].材料研究學報，2019,33(1 0 )：785-793.

WU Xiyue,CHEN Zhiyong,CHENG Chao,et al. Effects of heat treatment on microstructure, texture and tensile properties of Ti65 alloy [J]. Chinese Journal of Materials Research ,2019,33(10)： 785-793. (in Chinese)

[10] ZHANG Zhixin,FAN Jiangkun, WU Zhihong,et al. Precipitation behavior and strengthening-toughening mechanism of hot rolled sheet of Ti65 titanium alloy during aging process [J」.

Journal of Alloys and Compounds,2020,831 ： 154786.

[11] ZHANG Zhixin， FAN Jiangkun, LI Ruifeng， et al. Orientation dependent behavior of tensile-creep deformation of hot rolled Ti65 titanium alloy sheet [j]. Journal of Materials Science & Technology ,2021,75(16)：265-275.

[12] YUE Ke， LIU Jianrong， ZHANG Haijun， et al. Precipitates and alloying elements distribution in near a titanium alloy Ti65 [J]. Journal of Materials Science & Technology, 2020,36 (l):9 1 -9 6 .

[13] 林斌.一種新型近ex型航空鈦合金的位錯組織及失效行為 研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學，2020.

LIN Bin. Dislocations and failure analysis of a new-a type titanium alloy aerospace[D]. Harbin ： Harbin Institute of Technology,

2020. (in Chinese)

[14] 金明月.細晶TC4鈦合金高溫拉伸變形行為研究[D].哈爾 濱:哈爾濱工業大學,2006.

JIN Mingyue. Tensile deformation behavior of fine - grained TC4 titanium alloy at high temperature [D]. Harbin： Harbin Institute of Technology ,2006. (in Chinese)

[15] 張斌. a鈦合金TA7拉伸與壓縮力學行為的溫度和應變率 相關性研究[D].合肥：中國科學技術大學，2019.

ZHANG Bin. Temperature and strain rate dependency of tension and compression behavior for atitanium alloy TA7[D]. Hefei： University of Science and Technology of China, 2019. 

(in Chinese)

[16] 岳顆. Ti65合金顯微組織及關鍵高溫力學性能[D].合肥： 中國科學技術大學，2019.

YUE Ke. Study on microstructure and key high temperature mechanical properties of Ti65 alloy [D]. Hefei： University of Science and Technology of China, 2019. (in Chinese) 

[17] HE Shengtong,ZENG Weidong,JIA Runchen,et al. The mechanicalresponse and failure mechanism of a near a titanium alloy under high-strain-rate compression at different temperatures

 [j]. Materials Science and Engineering： A, 2021,814: 140749.

[18]劉昆，黃海廣，秦鐵昌，等.退火態TC4鈦合金型材高溫拉 伸 行 為 研 究 [J] .特 種 鑄 造 及 有 色 合 金 ，2019, 3 9 ( 8 ): 925-928.

LIU Kun, HUNAG Haiguang,QIN Tiechang,et al. High temperature tensile behavior of annealed TC4 titanium alloy [j]. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2019,39(8) ： 925-928. (in Chinese)

（注，原文標題：Ti65鈦合金板材高溫力學性能及影響因素）