超聲振動(dòng)輔助溫?zé)崂霣T14鈦合金變形行為研究——對(duì)比不同溫度、超聲功率與拉伸速度下的應(yīng)力-應(yīng)變特征，分析α/β相轉(zhuǎn)變與晶粒細(xì)化對(duì)材料成形性能的提升效果

鈦合金作為上世紀(jì)50年代興起的重要金屬材料，具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、耐高低溫性好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。如飛機(jī)蒙皮、隔熱板、導(dǎo)風(fēng)板等非承力結(jié)構(gòu)件，以及隔框、梁、襟等結(jié)構(gòu)件，隨著飛機(jī)機(jī)型不斷更新?lián)Q代，鈦合金用量在飛機(jī)中的占比不斷提升。如我國(guó)C919大飛機(jī)鈦合金質(zhì)量占比為9.3%，新一代大飛機(jī)C929鈦合金質(zhì)量預(yù)計(jì)將增加至15%[1-2]。

然而，大多數(shù)鈦合金室溫下成形困難且質(zhì)量不高，通常采用加熱方式降低鈦合金變形抗力、提高塑性變形能力[3-4]。宗影影等對(duì)BT14鈦合金進(jìn)行了高溫壓縮實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，應(yīng)力隨著溫度的升高顯著下降。丁嘉健等[6]對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,室溫下材料伸長(zhǎng)率為10%、抗拉強(qiáng)度為1100MPa,當(dāng)溫度升至800℃時(shí)，伸長(zhǎng)率提高至17%，抗拉強(qiáng)度降至100MPa。謝洪志等[7]對(duì)Ti65鈦合金板材在740~840℃進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著溫度升高，應(yīng)力峰值減小、應(yīng)變率增大，斷裂主要由微孔聚集引起，溫度越高等軸韌窩數(shù)量越多,越有利于塑性的提高。

另外,成形過(guò)程中對(duì)坯料或模具施加一定能量的超聲振動(dòng)，也可以提高材料塑性變形能力和成形質(zhì)量[8]。ZHAO等[9]在Ti-6Al-4V鈦合金滾壓過(guò)程施加超聲振動(dòng)后,不僅降低了材料流動(dòng)應(yīng)力,同時(shí)還提高了滾壓質(zhì)量。GAO等[10]在鈦合金TA2板材脹形過(guò)程中施加超聲振動(dòng)后,不僅減小摩擦對(duì)脹形過(guò)程的影響,還提高了板材的成形極限。與此同時(shí),高溫條件下加載速度對(duì)鈦合金的塑性也有影響[11]。蔡剛[12]進(jìn)行的BT25鈦合金高溫壓縮實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，降低加載速度可以減小流變應(yīng)力。楊曉明[13]進(jìn)行的TC4鈦合金高溫壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，降低加載速度可降低成形力，提高斷裂應(yīng)變。

為了探索變形溫度、超聲振動(dòng)與加載速率對(duì)鈦合金的作用規(guī)律，本文作者開(kāi)展了BT14鈦合金板材在溫度/超聲/速度復(fù)合能場(chǎng)下的拉伸性能研究，分析了復(fù)合能場(chǎng)對(duì)鈦合金板材的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能及顯微組織的影響規(guī)律。

1、實(shí)驗(yàn)材料、裝置及方案

1.1材料

BT14(Ti-4.5Al-3Mo-1V)是一種可通過(guò)熱處理強(qiáng)化的α+β型結(jié)構(gòu)鈦合金，室溫下抗拉強(qiáng)度可達(dá)1100MPa;另外,BT14鈦合金還具備較好的焊接性能和熱穩(wěn)定性，主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件、緊固件及高壓容器等。BT14鈦合金化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1BT14化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

Table1 ChemicalcompositionofBT14(massfraction/%)

1.2裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。在傳統(tǒng)拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)上，通過(guò)增加溫度控制裝置、超聲振動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)不同溫度、超聲振動(dòng)及拉伸速率下的變形。其中，溫度控制裝置由溫控控制器、加熱爐、循環(huán)水冷等組成，超聲振動(dòng)裝置由變幅桿、換能器、超聲波發(fā)生器等組成。

1.3方案

實(shí)驗(yàn)用坯料尺寸如圖2所示。厚度為0.8mm?？紤]到BT14鈦合金的使用溫度及材料性能,實(shí)驗(yàn)溫度分別為500,550,600,650℃;超聲振動(dòng)頻率為20kHz，功率分別為1.0,1.2,1.4kW;拉伸速度分別為0.5，1.0,2.0,3.0mm/min。具體實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表2。每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)6次，取平均值。

表2實(shí)驗(yàn)方案

Table2 Experimentalscheme

2、結(jié)果及分析

2.1溫度場(chǎng)對(duì)材料性能的影響

圖3為不同溫度下BT14鈦合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線。拉伸速度為1mm/min?？梢钥闯觯S著溫度的升高抗拉強(qiáng)度明顯下降、伸長(zhǎng)率逐漸提高?？估瓘?qiáng)度由500℃時(shí)的489.3MPa降至650℃時(shí)的166.58MPa,下降幅度為65.96%。伸長(zhǎng)率由500℃時(shí)的16.22%提高到650℃時(shí)的34.86%,提升幅度為115%。這是由于隨著溫度升高，原子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，位錯(cuò)阻力降低，鈦合金強(qiáng)度降低、變形能力增強(qiáng),呈現(xiàn)較為明顯的“材料高溫軟化”效果。

2.2溫度/超聲復(fù)合能場(chǎng)對(duì)材料性能的影響

圖4為不同溫度/超聲復(fù)合能場(chǎng)下BT14鈦合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線(拉伸速度為1mm/min)。在500℃較低溫度下，施加振動(dòng)功率為1.0,1.2,1.4kW超聲后，材料抗拉強(qiáng)度分別降低了3.8%,7.6%,8.5%;而在650℃較高溫度下,抗拉強(qiáng)度分別降低了17.8%,26.7%,42.3%;隨著溫度升高，材料抗拉強(qiáng)度下降幅度呈上升趨勢(shì)。由圖4還可以看出，BT14鈦合金伸長(zhǎng)率在500℃較低溫度下,施加超聲振動(dòng)功率1.0,1.2,1.4kW后,材料伸長(zhǎng)率分別提高了8.9%、22.5%、26.6%;而在650℃較高溫度下,伸長(zhǎng)率分別提高了7.3%,11.8%,13.1%,隨著溫度升高，材料伸長(zhǎng)率提高幅度呈下降趨勢(shì)。這是由于溫度/超聲復(fù)合能場(chǎng)拉伸過(guò)程，超聲帶來(lái)的振動(dòng)及應(yīng)力疊加效應(yīng)，使材料激活能增大，原子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，位錯(cuò)阻力降低，“材料高溫軟化”效果進(jìn)一步增強(qiáng)，因此強(qiáng)度降低幅度較大。BT14鈦合金在500℃的伸長(zhǎng)率較小,施加超聲振動(dòng)后提高幅度較為明顯,而650℃的伸長(zhǎng)率較大，施加超聲振動(dòng)后提高幅度較小，但總體而言材料伸長(zhǎng)率均有不同程度的提高。

2.3溫度/超聲/速度復(fù)合能場(chǎng)對(duì)材料性能影響

圖5為不同溫度/超聲/速度下對(duì)BT14鈦合金抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率的變化曲線?？梢?jiàn)，提高溫度、加大超聲振動(dòng)功率、降低加載速度都可以明顯地降低材料抗拉強(qiáng)度。在高溫狀態(tài)下，加載速度對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響較為敏感，在低溫下變化幅值不大。如500℃/1.4kW/3mm/min時(shí)的抗拉強(qiáng)度為482MPa,比0.5mm/min時(shí)的抗拉強(qiáng)度440.4MPa提高了9.4%;而在600℃/1.4kW/3mm/min時(shí)的抗拉強(qiáng)度為276MPa,比0.5mm/min時(shí)的抗拉強(qiáng)度170MPa提高了62.4%。這是由于溫度較低時(shí)，材料的加工硬化較為明顯，因此受加載速度的影響相對(duì)較小;而溫度較高時(shí)材料已經(jīng)軟化，加載速度的影響就變得敏感，速度越快材料的加工硬化越明顯，因此抗拉強(qiáng)度下降的幅度也就越小。

由圖5還可以看出，溫度、超聲振動(dòng)和加載速度也會(huì)影響B(tài)T14鈦合金的伸長(zhǎng)率，但溫度占主導(dǎo)地位。在溫度較低時(shí)，加載速度對(duì)伸長(zhǎng)率的影響大于超聲振動(dòng)，但隨著溫度的升高，超聲振動(dòng)的影響大于加載速度的影響。這是因?yàn)榧虞d速度越小，材料在一定溫度條件下的時(shí)間越長(zhǎng)，材料內(nèi)部能量積累越大，材料軟化更加徹底，但隨著溫度的升高導(dǎo)致材料內(nèi)部能量的不斷增大，從而使其影響逐漸減弱。

3、顯微組織分析

為了進(jìn)一步研究溫度/超聲/速度復(fù)合能場(chǎng)對(duì)BT14鈦合金材料性能的影響機(jī)理，對(duì)典型拉伸試件進(jìn)行了顯微組織觀察。對(duì)金相樣品進(jìn)行了鑲嵌，打磨拋光至鏡面,使用體積比為1:3:87的HF:HNO₃:H₂O腐蝕液腐蝕15s后，用Olympus光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。

圖6為不同溫度/超聲/速度下的BT14鈦合金的顯微組織。對(duì)比圖6a、b可知，隨著溫度的升高，β相向α相轉(zhuǎn)化，低溫時(shí)的纖維狀α相長(zhǎng)大，并連在一起形成等軸狀α相，組織由雙態(tài)組織向等軸組織轉(zhuǎn)化，宏觀上表現(xiàn)為鈦合金在高溫條件下塑性增強(qiáng)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。對(duì)比圖6a、c可知，同等條件下施加超聲振動(dòng)后α相及β相均轉(zhuǎn)化為體積更小且形狀更細(xì)碎的等軸狀，晶粒得到細(xì)化，從而提升了材料的塑性。對(duì)比圖6c、d可知,當(dāng)拉伸速度為較大的3mm/min時(shí),β相更為密集且晶粒尺寸也更大，纖維狀α相也更多;降低速度后，β相向α相轉(zhuǎn)化更為徹底，晶粒尺寸減小，從而使材料的塑性變形能力更強(qiáng)，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

4、結(jié)論

1)在不同溫度/超聲/速度復(fù)合能場(chǎng)下對(duì)BT14鈦合金材料進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，提升加熱溫度、增加超聲振動(dòng)、降低加載速度可以減小材料抗拉強(qiáng)度、提高伸長(zhǎng)率，進(jìn)一步提升了材料塑性變形能力。

2)在影響B(tài)T14鈦合金材料拉伸性能因素中,加熱溫度占主導(dǎo)地位，超聲振動(dòng)和拉伸速度的影響幅值相近。溫度較低時(shí)，拉伸速度對(duì)伸長(zhǎng)率的影響較大;溫度較高時(shí)，超聲振動(dòng)對(duì)伸長(zhǎng)率的影響較大。同時(shí)也說(shuō)明在高溫情況下，可通過(guò)施加超聲振動(dòng)能場(chǎng)來(lái)減小拉伸速度的影響，實(shí)現(xiàn)在較高速度條件下材料成形。

3)對(duì)拉伸試件斷裂處進(jìn)行顯微組織分析，結(jié)果表明，提高溫度可使α相增加，纖維狀α相轉(zhuǎn)變成等軸狀α相,組織由雙態(tài)組織向等軸組織轉(zhuǎn)化;施加超聲振動(dòng)可以使晶粒尺寸減小，晶粒得到細(xì)化使塑性增強(qiáng);降低加載速度可以使β相向α相的轉(zhuǎn)化更徹底。

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（注，原文標(biāo)題：溫度_超聲_速度對(duì)BT14鈦合金拉伸性能的影響_李偉杰）