體育器材用Ti60鈦合金棒高溫塑性性能和微觀組織試驗(yàn)研究

目前，高溫鈦合金的開發(fā)主要是Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系合金，由于合金中含有較少的β穩(wěn)定元素，故稱其為近α合金[1]。鈦合金具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，例如：密度小、強(qiáng)度高、耐腐燭、抗氧化性和使用溫度高等[2-3]，廣泛應(yīng)用于航空、醫(yī)學(xué)和體育器材等領(lǐng)域。Ti60合金是在IMI834合金基礎(chǔ)上提高Si元素含量，增添Ta元素設(shè)計(jì)而成的一種新型近α型高溫鈦合金，它是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中高溫部件的備選材料[4]。

硅在Ti60合金中的存在方式有兩種：硅固溶在基體中、以硅化物的形態(tài)析出。Ti60合金為近α型合金，A1是鈦合金中最為重要的合金化元素，為最大限度發(fā)揮A1的固溶強(qiáng)化作用，避免因A1過(guò)量而引起合金脆化，一般需將A1含量控制在6%。高溫鈦合金的熱穩(wěn)定性一直是一個(gè)熱點(diǎn)的話題，鈦合金在高溫環(huán)境下，其力學(xué)性能明顯降低[5]。Ti60合金由于含有較多的Si元素，在600℃及以上溫度具有好的蠕變特性和高溫抗熱特性，越來(lái)越受到重視[6-8]，在體育器材等方面應(yīng)用廣泛。鑒于此，本文以體育器材用的Ti60合金鑄件進(jìn)行等溫壓縮試驗(yàn)，研究該合金在960～1110℃和應(yīng)變率0.001～10.0s-1下的材料特性，從而分析體育器材用Ti60合金的高溫塑性性能和微觀組織變化。

1、實(shí)驗(yàn)材料及方法

以直徑為300mm的體育器材用Ti60鈦合金棒料鑄件為例，其名義成分如表1所示。

Ti60合金試件的微觀組織如圖1所示，其組織主要由α+β的雙相區(qū)構(gòu)成，晶粒大小雜亂無(wú)章，縱橫交錯(cuò)。Ti60合金的β相轉(zhuǎn)變溫度為1049℃。試件的熱壓縮試驗(yàn)在Gleeble-3800試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，設(shè)定溫度區(qū)間960～1110℃，變化增量30℃，應(yīng)變率0.001～10.0s-1，加熱速率5℃/s。

合金試件的安裝方向與壓縮軸的軸向方向平行，通過(guò)貼在合金試件中間面上的熱電偶來(lái)測(cè)量合金試件的溫度。試件在每次壓縮試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行快速淬火處理，用光學(xué)顯微鏡DFC320觀察合金的組織。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1本構(gòu)方程

合金的本構(gòu)方程可表示成

式中：σ為流變應(yīng)力MPa；α、A和n為材料參數(shù)；Z定義為

式中：ε觶為應(yīng)變率；Q為表觀活化能；R為空氣常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。

由(1)、(2)可推導(dǎo)得

表觀活化能Q表達(dá)式為

常數(shù)α可由lnε觶和lnσ峰的曲線近似求得，如圖2所示，大致確定α的值，在兩相區(qū)為0.010，單相區(qū)為0.021。

同樣，通過(guò)繪制lnsinh(ασ)和1/T的曲線可得到合金的表觀活化能，如圖3所示。可看出，Ti60合金在兩相區(qū)和單相區(qū)的表觀活化能為648、179kJ/mol，造成這種數(shù)值差異的原因是不同相區(qū)的變形形式不同，片狀α組織的動(dòng)態(tài)球化作用是α+β相區(qū)活化能高的原因。

對(duì)于β相區(qū)的熱變形，其活化能為179kJ/mol，比β-Ti的自擴(kuò)散稍大，原因是合金中溶質(zhì)原子的擴(kuò)散作用，同時(shí)也說(shuō)明在β相區(qū)位錯(cuò)是主要的變形形式。

圖4、5反應(yīng)了lnZ和lnsinh(ασ)分別在α+β和β相區(qū)的關(guān)系，得到n和A在α+β和β相區(qū)分別為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相區(qū)的本構(gòu)方程分別為：

2.2合金微觀組織

合金的塑性主要由兩相區(qū)的σ和β的晶粒決定，50∶50的α和β比例是最理想的情況。圖6為變形溫度990℃和應(yīng)變率0.001s-1，α相含量為60%時(shí)的合金組織相圖。可看出，晶粒各相等大，此時(shí)合金的力學(xué)性能較好。

圖7給出了應(yīng)變?yōu)?.6，不同溫度下合金試件的應(yīng)變率和流動(dòng)應(yīng)力的關(guān)系曲線。可知，合金的流動(dòng)應(yīng)力隨應(yīng)變率的增大而增大；在應(yīng)變率一定時(shí)，溫度越高，合金流動(dòng)應(yīng)力越小。

3、結(jié)論

(1)α+β相區(qū)和β相區(qū)的表觀活化能分別為648、179kJ/mol，原因是α+β相區(qū)片狀α組織的動(dòng)態(tài)球化作用更劇烈。

(2)流動(dòng)應(yīng)力隨應(yīng)變率的增大而增大；變形溫度越高，流動(dòng)應(yīng)力越小。

參考文獻(xiàn):

[1] 賈蔚菊，曾衛(wèi)東，張堯武，等 ． 熱處理對(duì) Ti60 合金組織及性能的影響 [J]． 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)， 2010 ， 20(11) ： 2136-2141．

[2] 田宏杰，郭鴻鎮(zhèn)，趙張龍，等 ． 變形溫度對(duì) Ti2AlNb/Ti60 雙合金焊接頭組織性能的影響 [J]． 熱加工工藝， 2013 ， 42(1) ：20-26．

[3] 程 軍，毛 勇 ．Ti-25Al-14Nb-2Mo-1Fe 合金高溫力學(xué)性能研究[J]． 熱加工工藝， 2012 ， 41(22) ： 9-12．

[4] 趙 亮，劉建榮，王清江，等 ． 析出相對(duì) Ti60 鈦合金蠕變和持久性能的影響 [J]． 材料研究學(xué)報(bào)， 2009 ， 23(1) ： 1-5．

[5] 趙永慶 ． 高溫鈦合金研究 [J]． 鈦工業(yè)進(jìn)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．

[7] 丁蓓蓓，李伯龍，韓 鵬，等 ．Nd 對(duì)一種近 α 型高溫鈦合金熱穩(wěn)定性的影響 [J]． 熱加工工藝， 2011 ， 40(18) ： 4-7．

[8] 石衛(wèi)民，魏壽庸，王鼎春，等 ．Ti60 鈦合金大棒材的顯微組織及力學(xué)性能 [J]． 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)， 2010 ， 20(1) ： 75-78．