TC21钛合金高温热变形行为研究
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ZHU Zh ishou , WANG X innan , GU W ei , CH EN M inghe
( 11 Be ijing Institute of AeronauticalM a ter ia ls , Be ijing 100095, Ch ina) ( 21 Chengdu A ircraft Industry ( G roup) Co1, L td1, Chengdu 610092, Ch ina) ( 31 N an jing A eronau tica l and A erospace Un ive rs ity , Nanjing 210016, Ch ina)
第 28卷 第 2期 2009年 2月
中国材料进展
MATER I A LS CH INA
V ol128 N o12 Feb12009
TC21 钛合金高温热变形行为研究
朱知寿 , 王新南 , 顾
( 31 南京 航空航天大 学 , 江苏 摘
1 1
伟 , 陈明和
100095) 成都 210016) 南京
2
,
为了深入了解该合金的高温热变形特征 , 本实验进行了 高温热变形行为的热模拟实验研究 , 目 的是揭示 TC21 钛合金在相变与热变形共同作用条件下的流变应力行为 和微观组织演变规律 , 为开展该合金 B锻造成形的工程 应用提供参考依据。
1 材料与实验方法
实验用原 材 料为 TC21 钛 合 金 3 t 大 锭 加 工成 的
从图 2和 图 3 流变应力 曲线特征可以 看出, TC21 钛合金热压缩变形时的流变应力对应变速率具有较大的 敏感性 , 随应变速率的增加, 流变应力明显增加 , 并且 高应变速率时的流 变软化比低 应变速率时的 更为显著 (见图 2 a~ f), 合金的变形抗力随温度升高而降低。当
在较低的温度 (如 850 e 和 880 e ) 时, 应力软化现象非 常明显, 应力峰值过后流变应力随应变的增加而急剧下 降, 流变应力的下降 在应变达到 一定程度时 趋向缓 和 (见图 2 a~ b); 当 在较高 温度 (如 940 e 到 970 e ), 而应变速率低 于 10 s 时 , 流变应力 呈稳态 锯齿状 波
动 , 表现为连续软化过程 ( 见图 2d~ f和图 3 a~ c); 当 变形温度为 910 e 、应变速率为 011 s 时, 应力随应 变有较大波动 , 可能产生 了局部或不 稳定的塑 性变形 (见图 2 c); 在变形温度为 940 e , 应变速率为 1 s 时 , 应力随应变一直呈上升趋势, 表明加工硬化一直占主导 地位 (见图 2d)。 312 TC 21 钛合金热变形的本构方程 金属高温塑性变形过程与蠕变过程相似, 受热激活 过程控制 , 变形激活能表示原子跃迁所需克服的能垒大 小 , 是反映材料变形难易程度的重要物理参量。假设流 变应力 R、应变速率 E Û 、变形温度 T 之间的关系可以采
- 1
第 2期
朱知寿等 : TC21钛合金高温热变形行为研究
53ຫໍສະໝຸດ Baidu
图 3 F ig 13
TC 21合 金在不同应变速 率下变形的真 应力 - 真应变曲 线 ( a) 01 01 s- 1, ( b) 01 1 s- 1, ( c) 11 0 s- 1, and ( d) 10 s1
T rue stress- strain curves of TC 21 T i al loy at d ifferent strain rates :
Fig 12 Tr u e stress- strain curves ofTC21 T i alloy at d iff erent temperatures : ( a) 850 e , ( b) 880 e , ( c)910 e , ( d) 940 e , ( e) 970 e , and ( f) 990 e
将试样加工成 < 10 mm @15 mm 的圆柱体 , 两端 加 工出 01 2 mm 的凹槽 , 加入石墨作为润滑剂 , 以减少压
52
中国材料进展
第 28卷
头与试样端面间的摩擦力。在 G leeb le 3500 热力模拟试 验机上进行热压缩实验。将压缩试样以 15 e /s 的恒定 速度分别加热到 850, 880, 910, 940, 970, 990e , 保 10 s 的等
- 1
行腐蚀, 用 LE ICA DMLM 金 相显微镜对 试样芯部进 行 金相观察分析。
温 2 m in, 进行 应变速 率为 0101 , 011, 1,
2 实验结果与分析
211 TC21 钛合金高温热变形应力 - 应变曲线及其特征 TC21钛合金高温压缩变形时 , 随温度和应变速 率 不同 , 其相 应 的 真 应 力 - 真 应 变 曲线 见 图 2 和 图 3 所示。
54
中国材料进展 与再结晶而发生变化。在温度较低时,
第 28卷 A相主要是原组
由此可见 , 在 910 e 以下, 变形加热和热变形速率 导致的 TC21钛合金相变不明显 , 合金中仍以 A相为主 (见图 5 a和图 5b), 热 变形激 活能 Q 为 645 k J/mo l左 右 , 但高于纯 A钛的自扩散激活能 204 kJ /mol , 这与 热变形中同时发生相变行为有关。而当温度高于 910 e 和在较低的热变形速率下时 (如 0101 s ), 合金中 A相 大量向 B转变 , 并且 A相的形貌也因热变形和动态回复
温、恒 应 变 速率 的 热 压缩 变 形 , 最大 压 缩 变 形量 为 70% , 将热压缩变形后的试样立即进行水淬, 保留其高 温变形后的组织。等温热压缩后用线切割机将试样沿轴 线剖开, 采用 H2 O2 BHNO3 = 5 B 1( 体积比 ) 的腐蚀剂进
图 2
TC21 钛合金在不同 温度下的真应力 - 真应变曲线
313 TC 21 钛合金热变形过程中的动态再结晶行为 钛合金的热变形工艺过程伴随着微观组织的演变 , 而微观组织演变又 与动态回复 及动态再结晶 等密切相 关。考虑 TC21钛合金主要为航空结构损伤容限设计时
exp( - 177 750 /RT )
( 3)
图 4 F ig 14
TC 21钛 合金稳态流变应 力与应变速率 和变形温度的关 系 and defor m at ion tem peratu res ( b), f or TC21 T i alloy
R elations of s teady flo w stress and stra in rates ( a),
- 161 526 - 16 1526
, 热变形本构方程为: ( 2)
R
41 892
exp( - 645 520 /RT )
在 910~ 990 e 温度区间时: n = 41 663, Q = 1771 75
- 18 1 253
, 热变形本构方程为 : R
41 663
E Û= e
- 181 253
关键 词 : TC21 钛合金 ; 热变形 ; 微观组 织 ; 回复 ; 再结 晶 中图 法分类号 : TG3351 5 ; TG1461 23 文 献标识码 : 文章 编号 : 1674- 3962( 2009) 02 - 0051- 05
Study on H igh T e m p er a tur e D eform a tion B ehavior s of N ew T ype TC 21 T itan ium A lloy
1 1 2 2
m u la tion exper i m ent , the h igh te m perature stress2stra in behaviors and m icrostructure Ab s tra c:t By m eans of the rm o2si evolu tions of TC21 titan ium a lloy w ithin te m pe ra tu re range of 850~ 990e and stra in rate range of 01 01 ~ 10 s- 1 have been studied. The defor m a tion m odel and dynam ic rec rysta llization behaviors have a lso been ana lyzed. The resu lts show tha t the join t effect of defor m ation and phase transf or m ation m echanism will occur when the de f or m ation te m pera tu re ar ised and defor m ation rate decreased, wh ich leads to d ifferent dyna m ic recovery and recrystalliza tion. Ke yw o rds: TC21 titan ium a lloy ; h igh tem pe ra ture defor m a tion; m icrostruc ture ; recover and recrysta llization
图 1 TC21 钛合金原 始棒材在退火状 态下的显微组织 F ig1 1 M icros tructu re of TC 21 T i alloy un der annea ling cond ition 收稿 日期 : 2008- 11 - 18 基金 项目 : 航空科 学基金资助项目 ( 2007ZF2101 1) 作者 简介 : 朱知寿 , 男 , 19 66年生 , 博士 , 研究员
3
( 11 北 京航空材料 研究院 , 北 京
( 21 成都飞 机工业 ( 集团 ) 有限责任 公司 , 四川
610092)
要 : 研究 了不同热变形 条件下 TC 21钛 合金的流变应力 行为和微观组 织演变规 律 , 分析 了高温 热变形 行为模 型及 动态再
结晶现象 。结果表明 , 随变形温度的升 高和热变形速 率的降低 , TC21 钛合金在热 变形过程中相变 和变形同时发 生 , 导 致了热 变形过 程中的动态回复 和再结晶现象 。
- 1 - 1
用 A rrhen ius 方程来描述 : E Û= AR exp( - Q /RT ) 式中 , A 为与变形温度无关的常数,
n
( 1) n 为应力指数,
Q 为变形激活能 , R 为气体常数 , T 为绝对温度。经 计 算整理, TC21钛合 金在不同变形条件下的稳态流变应 力见图 4。其中, 在 850~ 910 e 温度区间时: n = 41892, Q = 645152 kJ /mo,l A= e E Û= e kJ /mo,l A = e
[ 8]
图 5
TC 21钛合金 在应变速率为 01 01 s- 1 不同温度下的微 观组织 ( a) t= 850 e , ( b) t = 880 e , ( c) t= 910 e ,
Fig 1 5 M icrostructu re o fTC2 1 T i alloy at d ifferent temp eratu res for strain rate 01 01 s- 1: and ( d) t= 940 e
- 1 [ 7]
织被拉长发生形变 , 因而晶粒成窄条状并被拉长 , 随着 变形温度的升高 , A相在总量上减少的同时, 形态也由 长条状变为短条状、米粒状 (见 图 5c 和图 5d), 此时, 热变形机制也发生了变化, 热激活能 Q 也在 177 k J/m ol 左右, 热 变 形 机 制 主 要 由 纯 B 钛 的 自 扩 散 激 活 能 161 kJ /mol 控制。
TC21A+ B两相钛合金是我国自主研发的具有自主 知识产权的新型高强度、高韧性、可焊接钛合金 , 具有 广泛的应用前景。由于 TC21钛合金具有高强韧和好的 损伤容限性能, 所以越来越 受到航空工业的重视
[ 1- 6]
< 210 mm 棒材, 合金相变点温度 ( tB )为 973 e , 棒材的 原始显微组织见图 1, 主要由等轴及条状的初生 A相及 B转变组织组成。
( 11 Be ijing Institute of AeronauticalM a ter ia ls , Be ijing 100095, Ch ina) ( 21 Chengdu A ircraft Industry ( G roup) Co1, L td1, Chengdu 610092, Ch ina) ( 31 N an jing A eronau tica l and A erospace Un ive rs ity , Nanjing 210016, Ch ina)
第 28卷 第 2期 2009年 2月
中国材料进展
MATER I A LS CH INA
V ol128 N o12 Feb12009
TC21 钛合金高温热变形行为研究
朱知寿 , 王新南 , 顾
( 31 南京 航空航天大 学 , 江苏 摘
1 1
伟 , 陈明和
100095) 成都 210016) 南京
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,
为了深入了解该合金的高温热变形特征 , 本实验进行了 高温热变形行为的热模拟实验研究 , 目 的是揭示 TC21 钛合金在相变与热变形共同作用条件下的流变应力行为 和微观组织演变规律 , 为开展该合金 B锻造成形的工程 应用提供参考依据。
1 材料与实验方法
实验用原 材 料为 TC21 钛 合 金 3 t 大 锭 加 工成 的
从图 2和 图 3 流变应力 曲线特征可以 看出, TC21 钛合金热压缩变形时的流变应力对应变速率具有较大的 敏感性 , 随应变速率的增加, 流变应力明显增加 , 并且 高应变速率时的流 变软化比低 应变速率时的 更为显著 (见图 2 a~ f), 合金的变形抗力随温度升高而降低。当
在较低的温度 (如 850 e 和 880 e ) 时, 应力软化现象非 常明显, 应力峰值过后流变应力随应变的增加而急剧下 降, 流变应力的下降 在应变达到 一定程度时 趋向缓 和 (见图 2 a~ b); 当 在较高 温度 (如 940 e 到 970 e ), 而应变速率低 于 10 s 时 , 流变应力 呈稳态 锯齿状 波
动 , 表现为连续软化过程 ( 见图 2d~ f和图 3 a~ c); 当 变形温度为 910 e 、应变速率为 011 s 时, 应力随应 变有较大波动 , 可能产生 了局部或不 稳定的塑 性变形 (见图 2 c); 在变形温度为 940 e , 应变速率为 1 s 时 , 应力随应变一直呈上升趋势, 表明加工硬化一直占主导 地位 (见图 2d)。 312 TC 21 钛合金热变形的本构方程 金属高温塑性变形过程与蠕变过程相似, 受热激活 过程控制 , 变形激活能表示原子跃迁所需克服的能垒大 小 , 是反映材料变形难易程度的重要物理参量。假设流 变应力 R、应变速率 E Û 、变形温度 T 之间的关系可以采
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第 2期
朱知寿等 : TC21钛合金高温热变形行为研究
53ຫໍສະໝຸດ Baidu
图 3 F ig 13
TC 21合 金在不同应变速 率下变形的真 应力 - 真应变曲 线 ( a) 01 01 s- 1, ( b) 01 1 s- 1, ( c) 11 0 s- 1, and ( d) 10 s1
T rue stress- strain curves of TC 21 T i al loy at d ifferent strain rates :
Fig 12 Tr u e stress- strain curves ofTC21 T i alloy at d iff erent temperatures : ( a) 850 e , ( b) 880 e , ( c)910 e , ( d) 940 e , ( e) 970 e , and ( f) 990 e
将试样加工成 < 10 mm @15 mm 的圆柱体 , 两端 加 工出 01 2 mm 的凹槽 , 加入石墨作为润滑剂 , 以减少压
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中国材料进展
第 28卷
头与试样端面间的摩擦力。在 G leeb le 3500 热力模拟试 验机上进行热压缩实验。将压缩试样以 15 e /s 的恒定 速度分别加热到 850, 880, 910, 940, 970, 990e , 保 10 s 的等
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行腐蚀, 用 LE ICA DMLM 金 相显微镜对 试样芯部进 行 金相观察分析。
温 2 m in, 进行 应变速 率为 0101 , 011, 1,
2 实验结果与分析
211 TC21 钛合金高温热变形应力 - 应变曲线及其特征 TC21钛合金高温压缩变形时 , 随温度和应变速 率 不同 , 其相 应 的 真 应 力 - 真 应 变 曲线 见 图 2 和 图 3 所示。
54
中国材料进展 与再结晶而发生变化。在温度较低时,
第 28卷 A相主要是原组
由此可见 , 在 910 e 以下, 变形加热和热变形速率 导致的 TC21钛合金相变不明显 , 合金中仍以 A相为主 (见图 5 a和图 5b), 热 变形激 活能 Q 为 645 k J/mo l左 右 , 但高于纯 A钛的自扩散激活能 204 kJ /mol , 这与 热变形中同时发生相变行为有关。而当温度高于 910 e 和在较低的热变形速率下时 (如 0101 s ), 合金中 A相 大量向 B转变 , 并且 A相的形貌也因热变形和动态回复
温、恒 应 变 速率 的 热 压缩 变 形 , 最大 压 缩 变 形量 为 70% , 将热压缩变形后的试样立即进行水淬, 保留其高 温变形后的组织。等温热压缩后用线切割机将试样沿轴 线剖开, 采用 H2 O2 BHNO3 = 5 B 1( 体积比 ) 的腐蚀剂进
图 2
TC21 钛合金在不同 温度下的真应力 - 真应变曲线
313 TC 21 钛合金热变形过程中的动态再结晶行为 钛合金的热变形工艺过程伴随着微观组织的演变 , 而微观组织演变又 与动态回复 及动态再结晶 等密切相 关。考虑 TC21钛合金主要为航空结构损伤容限设计时
exp( - 177 750 /RT )
( 3)
图 4 F ig 14
TC 21钛 合金稳态流变应 力与应变速率 和变形温度的关 系 and defor m at ion tem peratu res ( b), f or TC21 T i alloy
R elations of s teady flo w stress and stra in rates ( a),
- 161 526 - 16 1526
, 热变形本构方程为: ( 2)
R
41 892
exp( - 645 520 /RT )
在 910~ 990 e 温度区间时: n = 41 663, Q = 1771 75
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, 热变形本构方程为 : R
41 663
E Û= e
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关键 词 : TC21 钛合金 ; 热变形 ; 微观组 织 ; 回复 ; 再结 晶 中图 法分类号 : TG3351 5 ; TG1461 23 文 献标识码 : 文章 编号 : 1674- 3962( 2009) 02 - 0051- 05
Study on H igh T e m p er a tur e D eform a tion B ehavior s of N ew T ype TC 21 T itan ium A lloy
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m u la tion exper i m ent , the h igh te m perature stress2stra in behaviors and m icrostructure Ab s tra c:t By m eans of the rm o2si evolu tions of TC21 titan ium a lloy w ithin te m pe ra tu re range of 850~ 990e and stra in rate range of 01 01 ~ 10 s- 1 have been studied. The defor m a tion m odel and dynam ic rec rysta llization behaviors have a lso been ana lyzed. The resu lts show tha t the join t effect of defor m ation and phase transf or m ation m echanism will occur when the de f or m ation te m pera tu re ar ised and defor m ation rate decreased, wh ich leads to d ifferent dyna m ic recovery and recrystalliza tion. Ke yw o rds: TC21 titan ium a lloy ; h igh tem pe ra ture defor m a tion; m icrostruc ture ; recover and recrysta llization
图 1 TC21 钛合金原 始棒材在退火状 态下的显微组织 F ig1 1 M icros tructu re of TC 21 T i alloy un der annea ling cond ition 收稿 日期 : 2008- 11 - 18 基金 项目 : 航空科 学基金资助项目 ( 2007ZF2101 1) 作者 简介 : 朱知寿 , 男 , 19 66年生 , 博士 , 研究员
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( 11 北 京航空材料 研究院 , 北 京
( 21 成都飞 机工业 ( 集团 ) 有限责任 公司 , 四川
610092)
要 : 研究 了不同热变形 条件下 TC 21钛 合金的流变应力 行为和微观组 织演变规 律 , 分析 了高温 热变形 行为模 型及 动态再
结晶现象 。结果表明 , 随变形温度的升 高和热变形速 率的降低 , TC21 钛合金在热 变形过程中相变 和变形同时发 生 , 导 致了热 变形过 程中的动态回复 和再结晶现象 。
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用 A rrhen ius 方程来描述 : E Û= AR exp( - Q /RT ) 式中 , A 为与变形温度无关的常数,
n
( 1) n 为应力指数,
Q 为变形激活能 , R 为气体常数 , T 为绝对温度。经 计 算整理, TC21钛合 金在不同变形条件下的稳态流变应 力见图 4。其中, 在 850~ 910 e 温度区间时: n = 41892, Q = 645152 kJ /mo,l A= e E Û= e kJ /mo,l A = e
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图 5
TC 21钛合金 在应变速率为 01 01 s- 1 不同温度下的微 观组织 ( a) t= 850 e , ( b) t = 880 e , ( c) t= 910 e ,
Fig 1 5 M icrostructu re o fTC2 1 T i alloy at d ifferent temp eratu res for strain rate 01 01 s- 1: and ( d) t= 940 e
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织被拉长发生形变 , 因而晶粒成窄条状并被拉长 , 随着 变形温度的升高 , A相在总量上减少的同时, 形态也由 长条状变为短条状、米粒状 (见 图 5c 和图 5d), 此时, 热变形机制也发生了变化, 热激活能 Q 也在 177 k J/m ol 左右, 热 变 形 机 制 主 要 由 纯 B 钛 的 自 扩 散 激 活 能 161 kJ /mol 控制。
TC21A+ B两相钛合金是我国自主研发的具有自主 知识产权的新型高强度、高韧性、可焊接钛合金 , 具有 广泛的应用前景。由于 TC21钛合金具有高强韧和好的 损伤容限性能, 所以越来越 受到航空工业的重视
[ 1- 6]
< 210 mm 棒材, 合金相变点温度 ( tB )为 973 e , 棒材的 原始显微组织见图 1, 主要由等轴及条状的初生 A相及 B转变组织组成。