TA32高温钛合金板超塑性能研究

超塑成形是一种低成本、高效益、近无余量的成形工艺，具有有效降低结构重量、提高结构的完整性和承载效率的优点，在航空航天领域得到广泛应用[1–2]。

TA32合金是在TA12 合金基础上进行成分改进而得到的一种新型近α 型钛合金，名义成分为Ti–5.5A1–3.5Sn–3.0Zr–0.7Mo–0.3Si–0.4Nb–0.4Ta[3]。该合金在550 ℃具有良好的综合性能，在低于550 ℃的环境可长时间使用，短时使用温度可达600 ℃，在超音速飞行器和航空发动机中具有广泛的应用前景。目前国内已针对TA32合金板材开展了热变形行为的研究[4–7]，但超塑成形相关的研究较少[8–9]。

在本研究中，通过单向超塑拉伸试验研究变形工艺参数（应变速率、变形温度）对TA32 合金超塑性的影响规律，获得最大超塑延伸率的工艺参数。通过锥形件的超塑胀形，研究平面应力变形条件下TA32 合金的变形特征和微观组织演变规律，为结构件的工艺设计提供参考。

1、试验材料及方法

1.1　试验材料

试验所用材料为宝钛集团提供的1.5 mm 厚退火态TA32钛合金板，板材的原始显微组织如图1 所示，由白色等轴α 和黑色β 相组成，β 相呈等轴状或长条状，平均晶粒尺寸小于5 μm。

1.2　试验方法

（1）单向超塑拉伸试验。

利用线切割加工出如图2 所示的拉伸试样，试样表面经除油处理和砂纸研磨，保证表面平整、无裂纹。

试样标距表面均匀涂抹抗氧化涂料。超塑拉伸试验在SANS–CMT4104 型微机控制电子万能试验机上进行，试样加热采用电阻炉，工作区的温度误差≤ ±5 ℃。超塑拉伸时，拉伸试样加热到温后保温5 min，以保证试样温度分布均匀，然后进行恒应变速率单向超塑拉伸，试验过程中通过横梁位移来计算试样变形。选取的超塑拉伸温度为920 ℃、940 ℃、960 ℃、980 ℃，应变速率为5.0×10^–5 s^–1、1.0×10^–4 s^–1、1.0×10^–3 s^–1。

（2）锥形件超塑胀形试验。

板材下料尺寸为180mm×180 mm，板料上下表面均匀喷涂止焊剂。锥形件超塑胀形试验在专用的胀形模具中进行，如图3 所示。试验时，先将板材放置在上下模中间，并加热模具，当温度达到200 ℃时，模具中加入0.02 MPa 保护气，当模具温度达到目标温度，上模通入氩气使板料开始胀形，胀形过程中采用匀速连续加压，加压速率为0.02 Pa/min，直至零件吹破为止。选取成形温度为920 ℃、940 ℃、960 ℃、980 ℃。取出零件后，从锥形件不同位置取样，采用OLYMPUS BX41M 金相显微镜对显微组织进行观察分析。

2、结果及讨论

2.1　应力应变曲线

图4 为相同应变速率不同变形温度的拉伸真应力–应变曲线，可以看出曲线呈现出明显的加工硬化变形特征，在所有变形条件范围内应力均随着应变的增加而增加，当变形大于峰值应变后，应力迅速减小，发生断裂。原因是恒应变速率拉伸过程中随着变形量的增加，横梁的移动速度增加，材料发生动态再结晶软化的速度小于加工硬化的速度。然而，采用恒速度超塑拉伸的曲线特征则与恒应变速率的相反，峰值应变通常较小，变形继续增加时则发生软化，即应力随着应变的增加而减小，应变速率逐渐减小。由此可以推断，动态再结晶的软化作用取决于变形历史。

图5 为应变速率对真应力– 应变曲线的影响，可见，除960 ℃之外，其他3 个温度变形时，应变速率为1×10^–4 s^–1 和5×10^–5 s^–1 的应力– 应变曲线几乎重合，表明低应变速率条件下应变速率对流变应力的影响较小。

2.2　超塑延伸率

图6 为不同参数条件下的超塑延伸率，由图6（a）可知，在同一变形温度下，超塑性分为两种类型，变形温度为920 ℃和940 ℃时，超塑延伸率均随应变速率的增加而增加，在应变速率为1×10^–3 s^–1 时最高，分别为864% 和862%；而变形温度为960 ℃和980 ℃时，超塑延伸率随应变速率的增加先降低后缓慢增加，在应变速率为5×10^–5 s^–1 时最高，分别为554% 和387%。由图6（b）可知，在同一应变速率下，超塑延伸率随着温度的升高先增加后降低，变形温度为940 ℃时最高，变形温度为980 ℃时，超塑延伸率最低，均小于400%。因此，采用单向超塑拉伸时，温度920~940 ℃和高应变速率1×10^–3 s^–1时为最佳变形条件，变形温度不宜超过980 ℃。

2.3　锥形件超塑胀形

图7 为锥形件超塑胀形后的结果，可知锥形件超塑胀形后外观质量良好，失效位置均位于变形量最大的锥顶。

对不同温度条件下锥形件的胀破压力和高度进行比较（图8），由图8（a）可见，随着变形温度的增加，锥形件胀破压力逐渐减小，温度为960 ℃和980 ℃时基本相同，均为0.6 MPa，温度为920 ℃和940 ℃分别为1.1MPa 和1.0 MPa。然而，不同温度下的锥形件的高度差别较大，在940 ℃和960 ℃时，锥形件的高度较高，分别为90 mm 和92 mm，该结果对结构件的工艺设计具有很重要的参考价值。由图8（c）可见，4 个温度条件下试件贴模后的壁厚变化呈线性减薄，接近锥顶位置未贴膜，壁厚减薄呈抛物线变化。

图9 为锥形件在940 ℃和980 ℃成形后不同位置的微观组织，其中A1~A4 变形量逐渐增大。可见，同一变形温度下经过不同变形量变形后的微观组织变化并不显著，均为细小等轴晶粒，且随着变形温度的升高，晶粒逐渐粗化，940 ℃和980 ℃成形后的平均晶粒尺寸分别约为9μm 和11μm。

3、结论

（1）在920~960 ℃、应变速率1×10^–3~5×10^–5 s^–1 条件下，TA32钛合金板材具有良好的超塑性，采用单向超塑拉伸时，温度920~940 ℃和高应变速率1×10^–3 s^–1 时为最佳变形条件。

（2）随着变形温度的增加，锥形件胀破压力逐渐减小，在960 ℃和980 ℃时最小，为0.6 MPa；在940 ℃和960 ℃时，锥形件的高度较高，分别为90 mm 和92 mm；经过不同变形量的变形后的微观组织变化并不显著，该结果为结构件的工艺设计提供参考。

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通讯作者：周丽娜，工程师，硕士，研究方向为金属成形技术。