TC11鈦合金的熱態(tài)變形行為及其鍛造工藝優(yōu)化研究.pdf

1、TC11鈦合金是一種a＋b雙相鈦合金，屬難變形材料，廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)領(lǐng)域?；趧?dòng)態(tài)材料模型理論的加工圖技術(shù)是一種用于金屬熱變形工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化的工具，利用加工圖不僅可以避開流動(dòng)失穩(wěn)區(qū)，而且還可獲得優(yōu)化的可加工溫度和應(yīng)變速率范圍。作者以片狀和等軸狀兩種初始組織的TC11鈦合金為研究對象，通過熱壓縮實(shí)驗(yàn)對其熱態(tài)變形行為進(jìn)行了研究，并利用加工圖技術(shù)對鍛造變形工藝進(jìn)行了優(yōu)化。研究結(jié)果對合理制定TC11鈦合金的鍛造變形工藝，確保獲得組織和性能

2、穩(wěn)定一致的無缺陷鍛件具有重要的理論指導(dǎo)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　 論文綜述了動(dòng)態(tài)材料模型及其加工圖技術(shù)的理論基礎(chǔ)及發(fā)展過程，對確定加工圖中穩(wěn)定或失穩(wěn)變形區(qū)的各種準(zhǔn)則的不可逆熱力學(xué)和耗散結(jié)構(gòu)基本理論以及推導(dǎo)過程進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹，從理論角度分析和比較了這些準(zhǔn)則的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用范圍。理論分析表明，Gegel準(zhǔn)則和Malas準(zhǔn)則的本質(zhì)相同，二者既考慮了材料的機(jī)械穩(wěn)定性和熱力學(xué)穩(wěn)定性，又可使變形過程對外界的擾動(dòng)具有較好的自修正性，但當(dāng)所

3、研究材料的m值不為常數(shù)時(shí)，Malas準(zhǔn)則比Gegel準(zhǔn)則更合理些。在應(yīng)用這兩個(gè)準(zhǔn)則時(shí)，由于限制條件較多，可能會(huì)縮小可加工的變形熱力參數(shù)范圍。Prasad準(zhǔn)則和Murty準(zhǔn)則的本質(zhì)亦相同，但當(dāng)所研究材料的m值不為常數(shù)時(shí)，選用Murty準(zhǔn)則更為合理。
　　 系統(tǒng)地研究了變形熱力參數(shù)對兩種初始組織TC11鈦合金流動(dòng)應(yīng)力和變形組織的影響規(guī)律。結(jié)果表明，這兩種組織TC11鈦合金的流動(dòng)應(yīng)力均隨變形溫度的升高和應(yīng)變速率的降低而減小，其應(yīng)力-應(yīng)

4、變曲線在應(yīng)變速率較高時(shí)為應(yīng)變軟化型，在應(yīng)變速率較低時(shí)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)型。從變形抗力角度考慮，這兩種組織TC11鈦合金宜在較低的應(yīng)變速率下進(jìn)行變形，當(dāng)溫度從低向高變化時(shí)，應(yīng)變速率可以適當(dāng)?shù)靥岣?，即適宜的應(yīng)變速率范圍變寬。兩種組織TC11鈦合金隨變形溫度降低，應(yīng)變速率提高，變形均勻性變差。對于片狀組織TC11鈦合金的a＋b兩相區(qū)變形，當(dāng)應(yīng)變速率≤0.01s-1時(shí)，a片層開始球化，故從變形均勻性和獲得球化組織角度考慮，應(yīng)變速率以≤0.01s-1為宜

5、；對于片狀組織TC11鈦合金的近b和b單相區(qū)變形，當(dāng)應(yīng)變速率≤0.01s-1時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶較完全，故從獲得動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織角度考慮，應(yīng)變速率亦以≤0.01s-1為宜。對于等軸組織TC11鈦合金的a＋b兩相區(qū)變形，a相的形態(tài)總體變化不大，但當(dāng)應(yīng)變速率較高時(shí)，變形均勻性變差，故從變形均勻性角度考慮，變形宜在較低的應(yīng)變速率進(jìn)行；對于等軸組織TC11鈦合金的b單相區(qū)變形，在應(yīng)變速率為0.01s-1～0.1s-1時(shí)發(fā)生較完全的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，且晶粒細(xì)小

6、，故從獲得細(xì)小動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織角度考慮，適宜的應(yīng)變速率為0.01s-1～0.1s-1，比片狀組織要高一個(gè)數(shù)量級。
　　 對兩種初始組織TC11鈦合金的本構(gòu)方程進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，Arrhenius型雙曲正弦方程和改進(jìn)的Arrhenius型冪函數(shù)方程可分別作為片狀組織TC11鈦合金在近b和b單相區(qū)，以及a＋b兩相區(qū)的本構(gòu)關(guān)系模型；改進(jìn)的Arrhenius型冪函數(shù)方程亦可作為等軸組織TC11鈦合金在整個(gè)變形溫度區(qū)間的本構(gòu)關(guān)系模型。通

7、過數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法確定出了模型中系數(shù)。誤差分析表明，所建立的本構(gòu)方程具有較高的精度，片狀組織TC11鈦合金在近b和b單相區(qū)，以及a＋b兩相區(qū)的平均誤差分別為5.04％和5.57％；等軸組織TC11鈦合金的平均誤差為5.20％。通過改進(jìn)Arrhenius型冪函數(shù)方程來建立本構(gòu)關(guān)系模型的方法具有普遍適用性，可用于其它材料本構(gòu)方程的建立。
　　 首次利用加工圖技術(shù)研究了兩種初始組織TC11鈦合金的鍛造工藝優(yōu)化，分別采用不同的穩(wěn)定或失穩(wěn)變形

8、準(zhǔn)則繪制了兩種初始組織TC11鈦合金的加工圖，分析和比較了不同穩(wěn)定或失穩(wěn)變形準(zhǔn)則的適用性。結(jié)果表明，基于Murty準(zhǔn)則繪制的加工圖總體上比基于Prasad或Malas準(zhǔn)則繪制的加工圖在預(yù)測穩(wěn)定變形區(qū)、失穩(wěn)變形區(qū)和優(yōu)化鍛造熱力參數(shù)方面更準(zhǔn)確?；贛urty準(zhǔn)則繪制的加工圖預(yù)測結(jié)果表明，對于片狀組織TC11鈦合金的a＋b兩相區(qū)變形，其流動(dòng)失穩(wěn)區(qū)為750℃～875℃、0.005s-1～10.0s-1和875℃～1000℃、0.2s-1～10.

9、0s-1，對應(yīng)的失穩(wěn)現(xiàn)象為宏觀剪切裂紋、絕熱剪切帶和原始b晶界孔洞；較佳的鍛造熱力參數(shù)為750℃～900℃、0.001s-1～0.005s-1和900℃～1000℃、0.001s-1～0.03s-1，對應(yīng)的變形機(jī)制以球化為主；最佳的鍛造熱力參數(shù)位于840℃～980℃、0.001s-1附近。對于片狀組織TC11鈦合金的近b和b單相區(qū)變形，其流動(dòng)失穩(wěn)區(qū)為1000℃～1100℃、1.0s-1～10.0s-1和1075℃～1100℃、0.001

10、s-1～0.003s-1，對應(yīng)的失穩(wěn)現(xiàn)象為b晶粒拉長、晶界破碎、“項(xiàng)鏈”狀的混和組織以及晶粒的動(dòng)態(tài)長大；較佳的鍛造熱力參數(shù)為1000℃～1100℃、0.001s-1～0.05s-1（除去1075℃～1100℃、0.001s-1～0.003s-1這個(gè)小區(qū)域），對應(yīng)的變形機(jī)制為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；最佳的鍛造熱力參數(shù)在應(yīng)變小于0.4時(shí)位于1050℃、0.001s-1附近，在應(yīng)變大于0.4時(shí)位于1050℃、0.016s-1附近。對于等軸組織TC11鈦合

11、金的a＋b兩相區(qū)變形，其流動(dòng)失穩(wěn)區(qū)為780℃～850℃、0.008s-1～70.0s-1，850℃～927℃、0.01s-1～70.0s-1和927℃～1008℃、0.1s-1～70.0s-1，對應(yīng)的失穩(wěn)現(xiàn)象為絕熱剪切帶、局部流動(dòng)和b相中的裂紋和空洞；較佳的鍛造熱力參數(shù)為780℃～850℃、0.001s-1～0.008s-1，850℃～940℃、0.001s-1～0.01s-1和940℃～1008℃、0.001s-1～0.01s-1，對

12、應(yīng)的變形機(jī)制以超塑性為主；最佳的鍛造熱力參數(shù)位于900℃、0.001s-1附近。對于等軸組織TC11鈦合金的b單相區(qū)變形，其流動(dòng)失穩(wěn)區(qū)為1008℃～1080℃、4.0s-1～70.0s-1，對應(yīng)的失穩(wěn)現(xiàn)象為b晶界的破碎和晶粒的拉長；較佳的鍛造熱力參數(shù)在應(yīng)變小于0.7時(shí)為1030℃～1080℃、0.001s-1～0.1s-1，在應(yīng)變大于0.7時(shí)為1020℃～1060℃、0.004s-1～0.6s-1，對應(yīng)的變形機(jī)制為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；最佳的鍛造

13、熱力參數(shù)在應(yīng)變小于0.7時(shí)位于1060℃～1080℃、0.001s-1附近，在應(yīng)變大于0.7時(shí)位于1040℃～1050℃、0.016s-1～0.07s-1。
　　 對等軸組織TC11鈦合金的超塑性變形行為進(jìn)行了初步研究。結(jié)果表明，在b單相區(qū)不能獲得超塑性，在a＋b兩相區(qū)可獲得超塑性，且最佳超塑性出現(xiàn)在900℃附近，應(yīng)變速率越低越好，這與用加工圖預(yù)測的結(jié)果相吻合。在900℃、0.0001s-1條件下的延伸率高達(dá)1215％。初生a和