体育器材用Ti60钛合金棒高温塑性性能和微观组织试验研究

目前，高温钛合金的开发主要是Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系合金，由于合金中含有较少的β稳定元素，故称其为近α合金[1]。钛合金具有一系列的优点，例如：密度小、强度高、耐腐烛、抗氧化性和使用温度高等[2-3]，广泛应用于航空、医学和体育器材等领域。Ti60合金是在IMI834合金基础上提高Si元素含量，增添Ta元素设计而成的一种新型近α型高温钛合金，它是先进航空发动机中高温部件的备选材料[4]。

硅在Ti60合金中的存在方式有两种：硅固溶在基体中、以硅化物的形态析出。Ti60合金为近α型合金，A1是钛合金中最为重要的合金化元素，为最大限度发挥A1的固溶强化作用，避免因A1过量而引起合金脆化，一般需将A1含量控制在6%。高温钛合金的热稳定性一直是一个热点的话题，钛合金在高温环境下，其力学性能明显降低[5]。Ti60合金由于含有较多的Si元素，在600℃及以上温度具有好的蠕变特性和高温抗热特性，越来越受到重视[6-8]，在体育器材等方面应用广泛。鉴于此，本文以体育器材用的Ti60合金铸件进行等温压缩试验，研究该合金在960～1110℃和应变率0.001～10.0s-1下的材料特性，从而分析体育器材用Ti60合金的高温塑性性能和微观组织变化。

1、实验材料及方法

以直径为300mm的体育器材用Ti60钛合金棒料铸件为例，其名义成分如表1所示。

Ti60合金试件的微观组织如图1所示，其组织主要由α+β的双相区构成，晶粒大小杂乱无章，纵横交错。Ti60合金的β相转变温度为1049℃。试件的热压缩试验在Gleeble-3800试验机上进行，设定温度区间960～1110℃，变化增量30℃，应变率0.001～10.0s-1，加热速率5℃/s。

合金试件的安装方向与压缩轴的轴向方向平行，通过贴在合金试件中间面上的热电偶来测量合金试件的温度。试件在每次压缩试验结束后，进行快速淬火处理，用光学显微镜DFC320观察合金的组织。

2、实验结果及分析

2.1本构方程

合金的本构方程可表示成

式中：σ为流变应力MPa；α、A和n为材料参数；Z定义为

式中：ε觶为应变率；Q为表观活化能；R为空气常数；T为绝对温度。

由(1)、(2)可推导得

表观活化能Q表达式为

常数α可由lnε觶和lnσ峰的曲线近似求得，如图2所示，大致确定α的值，在两相区为0.010，单相区为0.021。

同样，通过绘制lnsinh(ασ)和1/T的曲线可得到合金的表观活化能，如图3所示。可看出，Ti60合金在两相区和单相区的表观活化能为648、179kJ/mol，造成这种数值差异的原因是不同相区的变形形式不同，片状α组织的动态球化作用是α+β相区活化能高的原因。

对于β相区的热变形，其活化能为179kJ/mol，比β-Ti的自扩散稍大，原因是合金中溶质原子的扩散作用，同时也说明在β相区位错是主要的变形形式。

图4、5反应了lnZ和lnsinh(ασ)分别在α+β和β相区的关系，得到n和A在α+β和β相区分别为2.47，5.04×1025和3.10，5.45×1025。

所以可以得到Ti60合金在α+β和β相区的本构方程分别为：

2.2合金微观组织

合金的塑性主要由两相区的σ和β的晶粒决定，50∶50的α和β比例是最理想的情况。图6为变形温度990℃和应变率0.001s-1，α相含量为60%时的合金组织相图。可看出，晶粒各相等大，此时合金的力学性能较好。

图7给出了应变为0.6，不同温度下合金试件的应变率和流动应力的关系曲线。可知，合金的流动应力随应变率的增大而增大；在应变率一定时，温度越高，合金流动应力越小。

3、结论

(1)α+β相区和β相区的表观活化能分别为648、179kJ/mol，原因是α+β相区片状α组织的动态球化作用更剧烈。

(2)流动应力随应变率的增大而增大；变形温度越高，流动应力越小。

参考文献:

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[2] 田宏杰，郭鸿镇，赵张龙，等 ． 变形温度对 Ti2AlNb/Ti60 双合金焊接头组织性能的影响 [J]． 热加工工艺， 2013 ， 42(1) ：20-26．

[3] 程 军，毛 勇 ．Ti-25Al-14Nb-2Mo-1Fe 合金高温力学性能研究[J]． 热加工工艺， 2012 ， 41(22) ： 9-12．

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[5] 赵永庆 ． 高温钛合金研究 [J]． 钛工业进展， 2001(1) ： 33-39．

[6] Suwarno S．Microstructure and hydrogen storage properties of as-cast and rapidly solidified Ti-rich Ti-V alloys [J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China ， 2012 ， 34(21) ： 1831-1838．

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[8] 石卫民，魏寿庸，王鼎春，等 ．Ti60 钛合金大棒材的显微组织及力学性能 [J]． 中国有色金属学报， 2010 ， 20(1) ： 75-78．