近β型鈦合金熱加工過程組織性能關(guān)聯(lián)研究：從應(yīng)力-應(yīng)變流變行為解析片狀α相動(dòng)態(tài)球化規(guī)律及Burgers取向特征的穩(wěn)定保持機(jī)制

鈦合金在高溫變形過程中展現(xiàn)出包括動(dòng)態(tài)回復(fù)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、動(dòng)態(tài)相變以及片層α相的動(dòng)態(tài)球化等[1]多種微觀組織演化行為，這些組織演變行為不僅影響鈦合金的熱加工性，還會(huì)對(duì)其最終的顯微組織和服役性能產(chǎn)生重要影響[2-3]。針對(duì)鈦合金在高溫變形過程中的組織演變行為進(jìn)行研究，進(jìn)而優(yōu)化和完善晶體塑性理論，可為材料的高溫變形行為提供科學(xué)依據(jù)，并且在工程實(shí)踐中有助于優(yōu)化鈦合金熱加工工藝參數(shù)，提升成形質(zhì)量，改善力學(xué)性能和服役可靠性，同時(shí)為新型鈦合金的開發(fā)和關(guān)鍵部件的性能提升提供指導(dǎo)，為高性能鈦合金的廣泛應(yīng)用和高端制造技術(shù)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

片狀α相球化受自身的晶體取向及第二相的影響極為明顯[4-6]。目前被廣泛接受的鈦合金球化機(jī)理主要有晶界分離和末端遷移兩種機(jī)理。1987年，Harold等[7]在研究Ti-6Al-4V鈦合金魏氏組織熱變形及其熱處理過程中首次提出了晶界分離機(jī)理。晶界分離是以組織內(nèi)部形成的亞晶界或者滑移面為起始點(diǎn)，由于受外力剪切變形α/α界面極其不穩(wěn)定，在表面張力的作用下二面角減小，形成凹槽，之后β相從凹槽楔入α/α界面，α片層會(huì)發(fā)生斷裂，轉(zhuǎn)化為球狀組織。末端遷移機(jī)理則是由Gennady等[8]在研究熱變形過程中Ti-6Al-4V合金微觀結(jié)構(gòu)演變的機(jī)制時(shí)提出來的。末端遷移是受擴(kuò)散影響的過程，溶質(zhì)原子從片層尖端部分向平坦部分移動(dòng)[9]。受片層尖端和平面界面之間曲率差的影響，在曲率較大的位置，勢(shì)能較高，α穩(wěn)定元素的擴(kuò)散變得更加強(qiáng)烈，這將導(dǎo)致在尖端和平坦位置之間形成化學(xué)勢(shì)曲率。α穩(wěn)定元素從尖端遷移到平坦界面，并導(dǎo)致尖端的溶解和片層的粗化[10]。Thomas等[11]研究Ti-6Al-4V合金的片狀α相球化行為時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)α相的c軸平行于壓縮軸時(shí)，組織不易球化。Luo Jiao等[12]在研究α和β再結(jié)晶對(duì)球化的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，α和β的Burgers取向關(guān)系的缺失會(huì)導(dǎo)致α/β界面的位錯(cuò)滑移能力下降，造成β晶粒內(nèi)位錯(cuò)塞積，進(jìn)而促進(jìn)晶粒內(nèi)部小角度晶界的形成。

本文選取具有初始片狀α相組織的Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr近β相鈦合金為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行熱模擬壓縮試驗(yàn)，分析不同應(yīng)變量下片狀α相的球化行為，解釋其在球化過程中的取向變化特征，并采用電子背散射衍射(EBSD)對(duì)典型試樣進(jìn)行顯微組織表征，確定α相與β相在變形過程中的Burgers取向關(guān)系變化特征，揭示熱變形過程中α/β相的協(xié)調(diào)演變規(guī)律。

1、實(shí)驗(yàn)步驟及方法

本文所使用的材料是一種近β型鈦合金，其名義成分為Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr，通過金相觀察法測(cè)得鈦合金的相變點(diǎn)為900℃。本文所使用的坯料是經(jīng)過β鍛后水冷的材料，鍛后原始組織為交錯(cuò)分布的片層組織，如圖1(a)所示，片層寬度約為0.36μm，晶界清晰，但有略微曲折。此外，通過圖1(b)的反極圖(IPF)可以明顯地看出，原始組織中同一片層相的顏色基本保持不變，這就說明片層相內(nèi)部的晶體取向是一致的，并且通過極圖的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)原始組織中，α相與β相之間嚴(yán)格保持著(0001)α//(110)β和<11-20>α//<111>β的Burgers取向關(guān)系。

本文采用Gleeble-3500熱模擬壓縮試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn)。首先采用線切割的方式從原始鍛件上切割出尺寸為Φ8mm×12mm的熱模擬壓縮試樣，隨后在820℃的保溫溫度下，以0.01s?1的應(yīng)變速率，分別按照50%和70%的變形量進(jìn)行熱壓縮變形，其間保溫時(shí)間為5min，變形完成后立即水冷。熱壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，需要對(duì)熱壓縮試樣依次進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)拍攝以及EBSD表征。

2、結(jié)果與討論

2.1　應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2為熱壓縮過程中的兩種變形量所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從圖2可以發(fā)現(xiàn)，兩種變形程度的曲線在變形過程中均由急速上升的加工硬化階段和峰值后的應(yīng)力軟化階段組成，并且兩種變形量的硬化峰值相差較小，穩(wěn)定階段也均在60MPa左右達(dá)到。加工硬化過程反映了試樣在熱加工前期積累畸變能的過程，這個(gè)過程主要表現(xiàn)為：晶內(nèi)位錯(cuò)密度增加、位錯(cuò)塞積，片層相發(fā)生一定程度的形變但未發(fā)生明顯斷裂。這一現(xiàn)象在鈦合金中較為常見，Xu Jianwei等[13]已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)研究。達(dá)到峰值后的流動(dòng)應(yīng)力軟化則是發(fā)生了回復(fù)、再結(jié)晶、球化以及組織旋轉(zhuǎn)等，導(dǎo)致畸變能釋放，片層斷裂后畸變能釋放促進(jìn)位錯(cuò)滑移和元素?cái)U(kuò)散。對(duì)于片狀組織而言，其熱壓縮過程中的軟化階段主要是由α片狀組織的旋轉(zhuǎn)和球化引起[14]。

2.2　熱變形過程中的顯微組織演變

本文將α相的長(zhǎng)寬比L/R≤2定義為球化組織。圖3為不同變形量條件下的顯微組織。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，在變形量為50%時(shí)，整體片層的完整性被破壞，部分片層發(fā)生斷裂球化，在組織中形成了少量短小的等軸α相。使用圖像處理軟件對(duì)等軸α相以及β相進(jìn)行色差分離，并對(duì)等軸α相的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得在50%變形量下等軸α相的體積分?jǐn)?shù)約為5%，這起到了分散應(yīng)力集中的作用，而未發(fā)生斷裂的片層會(huì)出現(xiàn)逐漸旋轉(zhuǎn)到同一個(gè)方向的趨勢(shì)，晶界也發(fā)生了明顯的偏折斷裂，部分位置晶界消失，如圖3(a)所示。隨著變形量的增加，組織中大量片層發(fā)生斷裂，球化現(xiàn)象更加明顯，等軸α相的含量明顯增多。使用圖像處理軟件對(duì)其體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)量后，發(fā)現(xiàn)在70%變形量下，等軸α相的體積分?jǐn)?shù)增加至40%，并且晶界幾乎消失，如圖3(b)所示。

在變形過程中主要以動(dòng)態(tài)球化為主，隨著變形的進(jìn)行，原本細(xì)長(zhǎng)的片層α相內(nèi)部能量和位錯(cuò)逐漸積累，片層發(fā)生變形，積累畸變能，部分位置發(fā)生凹陷，最后由β相嵌入凹陷位置使片層發(fā)生斷裂球化，轉(zhuǎn)換為細(xì)小的等軸α相，并且當(dāng)變形量繼續(xù)增大，大量片層都會(huì)發(fā)生斷裂球化，等軸α相的含量增多。

2.3　熱變形過程中的晶體取向特征

圖4為50%變形條件下的取向特征，從圖4可以發(fā)現(xiàn)，在50%變形條件下，β晶粒整體變形不明顯，晶粒內(nèi)部顏色差別較小，說明在該變形量條件下，β晶粒的晶體取向差異小。部分片層相發(fā)生了明顯的斷裂，并且晶體取向發(fā)生了明顯的改變，在部分片層相的內(nèi)部也出現(xiàn)了較為明顯的晶體取向差異，如圖4(b)所示，這說明在變形過程中，片層相承受了更大的變形，導(dǎo)致其發(fā)生斷裂，進(jìn)而發(fā)生動(dòng)態(tài)球化，球化機(jī)理為晶界分離。通過變形后片層相與β相之間的極圖對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在50%變形條件下，片層相與β相之間仍然能夠保持近Burgers取向關(guān)系。在70%變形量的條件下，晶體取向特征發(fā)生明顯的變化，如圖5所示。β晶粒被明顯壓扁，部分晶粒發(fā)生了再結(jié)晶，但晶粒內(nèi)部整體取向差異仍然較小，如圖5(a)所示。大量片層相明顯斷裂并且發(fā)生動(dòng)態(tài)球化，形成了細(xì)小的等軸α相，并且同一個(gè)片層斷裂球化形成的等軸α相會(huì)出現(xiàn)不同的晶體取向，如圖5(b)所示。通過極圖的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，雖然在該條件下，片層相與β相都發(fā)生了明顯的變形，但仍然保持著近Burgers取向關(guān)系。

α相在球化時(shí)，影響其組織演變的并不是整個(gè)β相，而是處于α相周圍的β相，通過研究α相和周圍β相的取向變化關(guān)系，可以更細(xì)致地分析球化過程中α相和β相的協(xié)調(diào)演變行為。本文選擇不同變形量條件下的片層相及其周圍β相進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。在50%的變形量時(shí)，部分片層承受較大變形，導(dǎo)致片層內(nèi)部的晶粒發(fā)生旋轉(zhuǎn)，但從圖6(a)卻不難發(fā)現(xiàn)，盡管片層內(nèi)的晶粒發(fā)生旋轉(zhuǎn)，但旋轉(zhuǎn)的角度較小，因而片層相整體上與其周圍的β相之間仍然保持著近Burgers取向關(guān)系，并且在片層相的晶粒發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)受到周圍β相的影響。當(dāng)變形量增加至70%時(shí)，大量片層破碎發(fā)生球化的同時(shí)，破碎后的片層晶粒也發(fā)生了不同程度的旋轉(zhuǎn)，如圖6(b)所示。此時(shí)，破碎后的片層相與周圍的β相之間保持著近Burgers取向關(guān)系，這是因?yàn)槠瑢酉嗑Я５男D(zhuǎn)角度不同，部分晶粒的位向發(fā)生了偏移，但大部分破碎的片層相仍然與一側(cè)的β相保持著近Burgers取向關(guān)系。

3、結(jié)論

本文對(duì)鈦合金在高溫變形過程中微觀組織的晶體取向演變特征進(jìn)行了研究。通過研究，得出以下結(jié)論：

(1) 熱壓縮過程中，不同變形量的應(yīng)力-應(yīng)變變化趨勢(shì)相似，均可分為加工硬化階段和應(yīng)力軟化階段，并且硬化峰值接近。

(2) 50%的變形量會(huì)使部分片層斷裂并且球化，而當(dāng)變形量達(dá)到70%時(shí)，大量片層會(huì)被破碎球化。在變形過程中主要以動(dòng)態(tài)球化為主，隨著變形的進(jìn)行，原本細(xì)長(zhǎng)的片層α相內(nèi)部能量和位錯(cuò)逐漸積累，部分位置發(fā)生凹陷，最后由β相嵌入凹陷位置使片層發(fā)生斷裂球化。

(3) 在整個(gè)動(dòng)態(tài)球化過程中，α相和β相始終保持近Burgers取向關(guān)系，即{0001}α//{110}β和<11-20>α//<111>β。

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（注，原文標(biāo)題：高溫變形過程中鈦合金微觀組織的晶體取向演變特征研究_紀(jì)曉宇）