精密成形工程 第3卷第6期 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING 2011年1i月 TC6钛合金的超塑变形机 王高潮,李娟,徐雪峰,孙前江,董洪波 (南昌航空大学航空制造工程学院,南昌330063) 摘要:提出了一种全新的超塑性研究方法:基于m值的高效超塑变形机制。采用该方法对TC6钛合金 进行高温拉伸实验,研究其超塑性能,并与最大m值法超塑性进行比较分析。实验结果表明,细晶组织的该 合金具有优良的超塑性,最佳变形温度在900℃,最大m值超塑变形可以获得20倍的最大延伸率;基于m 值的高效超塑变形可以显著提高超塑成形效率,在获得延伸率为16.96倍的优良超塑性前提下,成形效率可 提高13倍。 关键词:TC6;高效超塑变形;超塑性;最大m值超塑变形 中图分类号:TG316 文献标识码:A 文章编号:1674—6457(2011)06—0022—05 Study on the Superplastic Deformation Mechanism of Ti_Alloy TC6 WANG Gao—chao,LI Juan,XU Xue-feng,SUN Qian-jiang,DONG Hong—bo (School of Aviation Manufacturing Engineering,Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063,China) Abstract:A new superplastic deformation approach,the SO—called high—efficiency superplastic deformation(HESPD)based on tr/value is proposed in this research and its mechanism is investigated via the superplastic deformation(SPD)of TC6 Ti..al—. 1oy by using the proposed approach.Through the physical experiments,the approach iS compared with the maximum m SPD and it is shown that the Ti—alloY with fined microstructure behaves excellent SPD capacity.At the deformation temperature of 900℃,the best elongation of 2 000 is obtained by using the maximum m SPD.While with the HESPD,the elongation of the Ti—alloy is 1 696 ,and the deformation efficiency is increased by 13 times. Key words:TC6;high—efficiency superplastic deformation;superplasticity;maximum m SPD TC6是一种a+B型热强钛合金,它能在400℃ 先采用了最大m值超塑变形方法口 ],对该合金的 超塑性进行了研究。实验结果表明,在900℃获得 以下长时间工作,主要用于制造航空发动机叶片、涡 轮盘等重要部件,也可以用于制造飞机的隔框、接头 等零部件_1 ]。与其它高强钛合金一样,由于加工 困难,了它的广泛应用。开发这种材料的超塑 了2O倍异常高的延伸率,再次证明该方法可以充分 挖掘材料的超塑性能。这种方法的缺点是变形效率 太低,势必影响其工程应用。为了解决这一难题,文 性,对于利用超塑性等温体积成形工艺进行复杂形 状零部件的一次成形具有重要的实际意义。文中首 中提出了钛合金高效超塑变形机制:在超塑性变形 过程中,使应变速率控制在最大 值所对应的最佳 收稿日期:2011-10-10 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51075196) 作者简介:王高潮(1956--),男,江苏高邮人,教授,主要研究方向为航空钛舍金复杂构件精密塑性成形。 第3卷第6期 王高潮等:TC6钛合金的超塑变形机制研究 应变速率和一个设定的最小 值所对应的高应变 速率之间的范围内,这个最小m值≥0.3(超塑性的 要求),并根据成形效率来设计。文中针对TC6钛 实验原理与控制方法 合金进行了实验研究。 最大Ⅲ值高效超塑性变形机制的研究方法示 意如图1所示,按应变速率将材料变形区域分为I, o.9 l Ⅱ IIJ O.8 mnl 0.7 趔0.6 o.5 、 0-4 O3 j\ .mc=O.: 0.2 / — 0 0 C \ 1j f i f 应变速率童/s 图1 高效超塑变形原理示意 Fig.1 Schematic illustration of the rationale of m—HES— PD Ⅱ,Ⅲ等3个区域,其中Ⅱ区 值大于0.3,这就是 文中要研究的超塑性变形区。A点的 值最大(,,z 一 …),其对应的应变速率 就是超塑性变形的 最佳应变速率,最大 值超塑性变形就是将应变速 率控制在 附近进行左右循环,从而获得了异常高 的超塑性。未经特殊细化处理钛合金的 一般在 10 S 左右,变形速度很慢,因此成形效率很低, 不适合工程应用。超塑性变形区域(Ⅱ区)中,以最 佳应变速率 为分界点,其左边是低应变速率区, 该区域因为变形速率太慢,成形效率极低,不适合超 塑成形的工程应用。文中提出的高效超塑性成形理 论为:在 点的右边是超塑性变形的高应变速率 区,从中设计一个B点,其对应的m值m 称为最 小 值,其对应一个较高应变速率 。点,在超塑性 成形过程中将应变速率控制在 和 之间区域循 环变化。因为该区域的m值较大,因此有可能获得 良好的超塑性,同时该区域的应变速率较快,因此成 形效率较高。 值越小则 值越大,因而成形效 率越高,但超塑性能越差。在工程应用中综合成形 效率和塑性两方面的要求,设计出一个合理的B 点,以达到高效超塑性成形的目的。 超塑性本构方程(Backofen方程): 一K ,其 中应变速率敏感性指数 值是材料超塑性能的重 要特征。通常m值越大,抵抗缩颈发展的能力越 好,则延伸率越大,超塑性越好。对于一般金属材料 <0.3,对超塑性材料 ≥0.3,一般在0.3~0.8 之间Fs]。 值与一定的应变速率相对应,因此最大 Ⅲ值 相对应的也有一个最佳的应变速率 。在 超塑性变形过程中将应变速率控制在 附近,可以 获得异常高的超塑性,这就是最大m值法的超塑性 变形 ]。基于m值的高效超塑成形方法是在最大 m值法的基础上提出来的,在超塑性变形Ⅱ区的高 应变速率区,设定一个最小Ⅲ值 。,其对应一个高 应变速率 点。在超塑性变形过程中,将应变速率 控制在 和 之间区域循环变化,这样既能获得 良好的超塑性变形,又能够加快变形速度,实现超塑 变形的高效性。这个 和 之间的区域称之为高 效超塑变形区。 将应变速率控制在高效超塑变形区循环变化, 值采用速度突变法Es]测定,通过计算机闭环控制 系统对变形过程进行监控,动态测得瞬时的m值, 并根据 值变化趋势自动调整拉伸试验机的横梁 移动速度。如图1所示,当横梁移动速度在增速的 过程中,即应变速率向右增大,如果 >m 则表 明应变速率尚未到达最佳应变速率点,需要继续增 速;如果 <mH,但是 >m ,则表明变形还在 高效超塑变形区,可以继续增速;如果 ≤m 表明 变形超越了高效超塑变形区的右边界点,需要回头 向左减速。当拉伸试验机横梁移动速度在减速的过 程中,如果m >m ,则表明变形还在高效超塑变 形区,可以继续减速;如果 < 则表明超越了 高效超塑变形区的左边界点,需要回头向右增速。 如此循环往复完成超塑性变形过程。这便是基于 值高效超塑变形的控制方法。 2实验用材及实验方法 实验用TC6钛合金为商品供应状态的棒材,直 径为28 mm,其合金成分见表1。用金相法测得其 p转变温度为960±10℃。原始坯料的显微组织如 精密成形工程 2011年l1月 一 图2原始坯料显微组织 Fig.2 Original billet microstructure 很大,分别标记为细晶坯料和粗晶坯料。从图2中 可以看出,细晶坯料的显微组织(如图2a所示)比较 细小,初生a相为长条状并和B相呈现均匀分布。 粗晶坯料(如图2b所示)中,初生的ft.相的形状很不 规则,主要为粗大的条状和部分等轴的 颗粒,并且 在G基体上还有很多细小的次生a相。 表1 TC6钛合金原材料的化学成分(质量分数) Table 1 Composition of Ti一6AI-2.5Mo・2Cr-0.5Fe-0.3Si Ti AI Mo Cr Fe Si N C O其它 ‘。。’。。-。_____-__。。。。。。______'。、'。。●●______●-。。。。____________。。。。。。●___-__。。。-。。-______●^-_。。。。。__’___'-。_。。___'______●_。。。。-●________●_。。 ●_______●___'。●●●______●。。。。●。●●_______ 。。。。一 88.7 6.2 2.5].52 0.44 O.34 O.O】2 O.O]O.O4 O.24 拉伸试样如图3所示,标距尺寸为 5 mm×15 a b 图3拉伸试样 Fig.3 Sample design for SPD mm。超塑性拉伸试验在SANS~CMT4104型微机 控制电子万能试验机上进行(如图4所示),采用的 高温实验装置均热带长度为300 mm,横梁移动速 度在0.001~500 mm/min之间连续可调。该试验 系统配备了专门研制的“高效超塑性变形微机控制 系统”。为了防止在高温变形时产生氧化,拉伸试样 采用BJ【).1玻璃防护润滑剂涂抹保护。 为了便于比较,分别采用基于m值的高效超塑 变形方法(以下简称“基于m值高效法”)和基于最 图4 SAN CMT 4104型电子拉伸试验机 Fig.4 The type of SAN CMT 4104 of tensile test ma— chine 大 值的超塑变形方法(以下简称“最大m值法”) 进行超塑性拉伸试验。变形温度分别为850,900, 950℃;速度循环增量Av一0.09 mm/min,时间间 隔At=6 S。基于m值高效法的m值参数为:最小 m值m 设定为0.3;最大m值m 是未知的,只能 通过变形过程中的动态检测才能获取。 3试验结果及分析 3・1 细晶坯料的超塑性 验结果 细晶坯料的TC6钛合金在不同温度下基于m 值高效法和最大优值法的拉伸实验结果见表2。为 了便于比较,在此引入一个超塑成形效率叼的概念, 即单位时间所完成的延伸率: r/= ̄/t (1) 式中: 为延伸率, ;t为拉伸时间,min。 经过计算后的超塑成形效率叩实验数据也一并 列入表中。 由表2可以看出,TC6合金具有优良的超塑 性,最佳变形温度在900℃。采用最大m值超塑变 形方法可以获得异常高的超塑性,最大延伸率 达 到2 000 。采用基于仇值的高效法进行超塑变 形,也能获得优良的超塑性,最大延伸率 达到 1 696 ,o4,并且拉伸时间相对于最大m值法来说要 少得多。前者花费了962.9 min,而后者只花费了 57.6 min,超塑成形效率从2.O8提高到29.44,足 足提高了13倍。2种方法拉伸后的试样对比如图5 所示。 第3卷第6期 王高潮等:TC6钛合金的超塑变形机制研究 表2 TC6细晶材料基于m值高效法与最大m值法的拉伸结果 Table 2 Tensile test results of the TC6 samples with fine grains 3.2粗晶坯料的超塑性试验结果 粗晶坯料的TC6钛合金在不同温度下基于m 值高效法和最大 值法的拉伸实验结果见表3。 . 由表3可以看出,粗晶组织的TC6合金也具 a基于m高效法的拉伸试样 有较好的超塑性,最佳变形温度仍然在900℃。 最大m值超塑变形方法获得的最大延伸率 达 到7 28 。而采用基于/7"2值高效法也能获得优 良的超塑性,最大延伸率 达到604%。此外,基 于Ⅲ值高效法的成形效率也有普遍提高。最大 m值超塑变形方法的成形效率均布在1 2.8左 b最大m值法的拉伸试样 右,而基于 值高效法的成形效率平均值为 1 5.2,最高值为1 6.8。2种方法拉伸后的试样对 图5细晶坯料的拉伸试样对比 Fig.5 SPD sample with fine grains conducled by ITI—based 比如图6所示。 HESPD and Maxm SPD 表3 TC6粗晶坯料基于m值高效法与最大rn值法的拉伸结果 Table 3 Tensile test results of the TC6 samples with coarse grains 3.3拉伸曲线分析 塑性。随着温度的升高,促使晶粒的长大,当温度超 过临界温度时,晶粒长大会促使超塑性指标的下降。 不同温度下,细晶坯料的TC6钛合金用基于/9"1 这也是900℃能得到最佳延伸率的原因。 值高效法拉伸后的流动应力一真应变曲线如图7所 基于m值高效法的应变速率一时间曲线如图8 示。可以看出,该合金在900 oC和950℃时的流动 所示,可以看出,在拉伸的过程中,随着时间的增加, 应力明显低于850℃时的流动应力。这是因为在超 应变速率在不断的进行波动。这是由于基于m值 塑性变形过程中,随着温度的升高,提高了原子的自 高效法的实施, 值始终在搜寻的最大m值和最小 由能,促进了晶界滑移及晶界扩散的能力,当达到超 D-I值(O.3)之间变化,应变速率也跟着进行相应的调 塑性温度时,则流动应力大大下降,从而提高了其超 整。随着应变量的增加,应变速率呈现减小的趋势, 减小的趋势。图9的m值一时间曲线也表明了在不 T 蝌幽a基于m值高效法的拉伸试样 时间,s 图9 值一时间曲线(900℃) Fig.9舯time curve(900℃) 同的时候m值是不断变化的。从曲线中可以看出 值绝大多数在0.3~1.0之间波动,这也符合了钛 b最大m值法的拉伸试样 合金基于m值高效超塑性成形方法的基本原理。 图6粗晶坯料的拉伸试样对比 Fig.6 SPD sample with coarse grains 4 结语 细晶组织的TC6钛合金具有优良的超塑性,最 佳变形温度为900℃,最大m值超塑变形可以获得 重 氆 幅 堰 20倍最大延伸率;基于优值的高效超塑变形方法可 以显著提高超塑成形效率,在获得延伸率为16.96倍 的优良超塑性前提下成形效率足足提高了13倍。 参考文献: 真应变 [1]熊爱明,陈胜晖,黄维超,等.TC6钛合金的高温变形行 图7流动应力一真应变曲线 Fig.7 Flow stress—strain curve 为及组织演变EJ3.稀有金属材料工程,2003,32(6): 447—45O. [2] 熊爱明,,李淼泉.TC6钛合金的超塑性变形研 究EJ-I.航空材料学报,2003,24(5):477—479. [33 WANG GC,FUMW,CAOCX,et a1.Study onthe Maximum m Superplasticity Deformation of Ti一6.5 AI一 3.5Mo一1.5z卜o.3Si Alloy[J].Materials Science and Engineering A,2009,513—514:32—41. [4]WANG G C,FU M W,DONG H B,et a1.Super— plasticity Deformation of Ti一6A1,2Zr-1Mo一1V Induced by the Cyclic Change of Strain Rate and MaxmSPD 时间,s I-J].Journal of Alloys and Compounds,2010,491(1~ 2):213—217. 图8应变速率一时间曲线 ,E5]文九巴,杨蕴林.超塑性应用技术[M3.北京:机械工业 出版社,2005:1—9. Fig.8 Strain-rate and time curve 因为在超塑性拉伸的过程中,随着变形量的增大,晶 粒开始长大,试样的横截面积减小,最佳应变速率呈 E6] WANG G C,FU M W.Maximum m superp1asticity De ̄rmation for Ti-6A1—4V Titanium AlloyEJ].J Ma— ter Process Tech,2007,192—193:555—560.