Ti65钛合金板材在不同热成形参数下的力学性能与显微组织关联研究 ——从峰值应力变化规律到等轴状韧窝数量与塑性的适配性

钛合金因低密度、高比强度、耐腐蚀等独特优势，在航空、航天、兵器等领域备受青睐[1]。钛合金在高温环境中仍有较高力学性能、蠕变抗力、抗氧化能力，常用来生产航空发动机热端部件、高速飞机蒙皮等钣金零件，随着我国航空产业飞速发展，其应用前景广阔[2-3]。经半个多世纪的发展，逐渐形成了IMI-xxxx、BTxx、Ti-xxxx等一系列尚温钛合金。我国开发的Ti55、Ti60和Ti65合金应用温度升至650℃。Ti65是Ti-AlSn-Zr-Mo-Si-Nb-Ta-W-C合金体系的近α型钛合金。

Jia等14]研究了钛合金在高温下的变形行为，揭示了在单相场中流动软化是由动态回复和再结晶引起，而双相场中流动软化由α的破碎和球化造成。Balasundar等[5]:提出在P区速率控制变形机理主要由林位错的交叉作用，建立了α+β和β区的材料本构模型，开发了基于动态材料模型的加工图。Yue等16]研究了Ti65合金在固溶处理后冷却速率对拉伸行为影响，发现冷却率增加有助于强度和伸长率提高，室温下塑性差异主要由孪晶引起的相容变形和(:^的厚度与体积分数共同决定，空冷样品室温下为准解理断裂，高温下为韧性断裂。Ebied等[7[通过等温压缩试验研究钛合金的热变形行为，高温流动应力曲线显示压缩过程未产生硬化，而在高应变率下动态回复比动态再结晶更明显。Han等(8]开发了一种适用Ti65钛合金的高温氧化防护涂层，该涂层具有与Ti65合金基体相容的热膨胀系数，且兼具良好的化学稳定性和抗热震性。吴汐玥等[9]研究了不同热处理状态下Ti65板材，发现热处理明显改变了板材组织和织构，织构是影响板材各向异性的主要因素。在高温拉伸时，显微组织和织构种类不同导致强度变化。Zhang等^研究Ti65热轧板蠕变后的取向行为，发现77)方向以（1216)[1211]和(0113)[1211]为主，蠕变机制主要由扩散和晶界滑动引起;方向以（1210)[1010]为主，蠕变机制主要由滑移引起。同时优化时效处理工艺使合金强韧性均提高，确定强度提高由于(TiZr)3Si和Ti3Al的析出，塑性提高归因于(^与^，比例优化。Yue等[|2]利用透射电镜(TEM)和原子探针断层扫描（APT)对热处理后的Ti65钛合金进行表征，并观察到除Sn外，其它合金元素倾向聚集在α和β相。合金元素在(3相富集的顺序是Zr、Nb、Ta、MO、W。

目前对Ti65合金热成形工艺的研究鲜少,成为限制其在航空钣金领域应用的主要原因。为研究Ti65合金生产的最佳温度和应变率,本文作者利用高温拉伸测试Ti65合金在不同温度和应变率下的力学性能，为Ti65合金在热成形加工中提供理论指导。

1、试验方法

材料为2nun厚的轧制Ti65合金板材，化学成分如表1所示。沿板材轧制方向线切割试验所需样品，如图1所示。

通过MTSExceedE45.305电子高温材料试验机测试不同条件下Ti65合金力学性能。温度分别为740、790、840X；，应变率分别为0.0012、0.0018,0.0024s^-1。

观察板材原始试样的显微组织，金相样品分别经240、400、600、800、1000、1200*砂纸打磨，抛光至光滑镜面，经腐蚀得到最终观察样品。用场发射电子扫描电镜(SEM)观察拉伸后断口形貌。

2、结果

2.1金相组织

图2为原始板材的金相组织。原始板材为典型的等轴组织，由等轴α相、变形α相和少量的晶间β相构成，同时局部位置能观察到轧制变形流线。

2.2高温力学性能

图3为不同温度下Ti65钛合金板材沿ftD方向的应力-应变曲线。图4为790℃不同应变率下的应力应变曲线。不同温度和应变率的峰值应力如表2所示。

2.3断口形貌

图5为Ti65板材分别在740、790的拉伸断口。

3、分析讨论

3.1温度对高温力学性能的影响

图3中的高温下拉伸曲线，在初始阶段应力迅速达到峰值，然后随应变增加而下降。因为初始变形阶段位错密度骤增，产生加工硬化，但随变形时间的延长，温度增加了原子动能，降低位错阻力，同时发生动态回复和再结晶，使动态软化占主导作用，减小变形抗力[13-14]。

图6为不同温度下峰值应力。温度对板材力学性能有显著影响，随温度升高峰值应力不断降低[15]。这是因为温度提高降低了滑移系的临界剪切应力，从而降低位错滑移所需的外力，导致峰值应力下降[16-17]。

790℃下Ti65钛合金板材的峰值应力较低,840℃下峰值应力更低，虽然在设备的允许范围内，但为提高加工效率、模具寿命和工件表面质量，故选790℃作为热成形最佳温度。

不同温度峰值应力下的软化程度差异明显，740℃的软化程度明显高于另外两个温度，这是因为应变硬化与动态回复和再结晶的竞争程度不同，温度越低导致两者竞争强烈,软化越明显。

3.2应变率对高温力学性能的影响

图7为不同应变率下的峰值应力。应变率对板材力学性能影响显著，随应变率升高峰值应力不断升高(15]。应变率升高有助于增加位错密度，促进硬化作用。同时应变率的增加使动态回复和再结晶进行不充分，削弱其软化作用[16-17]。

3.3高温断裂机制

图5中断口存在方向不一的孔洞聚合路径，最终断裂由这些联合路径引起，所以高温下断裂形式为塑性断裂[6]。但不同温度下的断口孔洞差异明显。随温度升高，小尺寸靭窝的数量逐渐增加。在740℃断口存在许多分布不均的大尺寸孔洞（图5b)，而790℃存在数量众多、分布均匀的小尺寸孔洞（图5d)。韧窝越多，说明塑性越高[18]。

4、结论

1)Ti65钛合金在740℃、应变率为0.0018s^-1时，峰值应力最大为381.1MPa,在840℃、应变率为0.0018^-1时，峰值应力最小为138MPa。

2)随温度的升高，峰值应力逐渐减小；随应变率增加，峰值应力逐渐增加。温度增加和应变率降低能

减小Ti65钛合金变形抗力。

3)高温环境下断裂由微孔聚集引起，温度越高等轴状靭窝数量越多，有利于塑性的提高。

5、参考文献

[1] 赵永庆，葛鹏，辛社伟. 近五年钛合金材料研发进展[J].中 国材料进展，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] 陆子川，张绪虎，微石，等.航天用钛合金及其精密成形技术 研究进展[•!].宇航材料工艺,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] 吴汐玥，陈志勇，程超，等. 热处理对Ti65钛合金板材的显微 组 织 、织构及拉伸性能的影响[J].材料研究学报，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.一种新型近ex型航空钛合金的位错组织及失效行为 研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，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.细晶TC4钛合金高温拉伸变形行为研究[D].哈尔 滨:哈尔滨工业大学,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] 张斌. a钛合金TA7拉伸与压缩力学行为的温度和应变率 相关性研究[D].合肥：中国科学技术大学，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] 岳颗. Ti65合金显微组织及关键高温力学性能[D].合肥： 中国科学技术大学，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]刘昆，黄海广，秦铁昌，等.退火态TC4钛合金型材高温拉 伸 行 为 研 究 [J] .特 种 铸 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，原文标题：Ti65钛合金板材高温力学性能及影响因素）