丁 凌，王志录，孙前江，陈 建，王高潮

(1.南昌航空大学 航空制造工程学院，南昌 330063；2.中航工业江西景航航空锻铸有限公司，江西 景德镇 333039)



TC6钛合金超塑性变形

丁 凌1，王志录2，孙前江1，陈 建1，王高潮1

(1.南昌航空大学 航空制造工程学院，南昌 330063；2.中航工业江西景航航空锻铸有限公司，江西 景德镇 333039)

对TC6钛合金在800～900 ℃温度区间内，分别进行应变速率为0.0001～0.1 s-1的恒应变速率法拉伸实验和最大m值法超塑性拉伸实验，获得拉伸过程应力-应变曲线，并采用金相显微镜对拉伸后断口附近显微组织进行分析。结果表明：TC6合金表现出良好的超塑性性能，随着应变速率或温度的升高，伸长率先增大后减小，恒应变速率拉伸时，在温度850 ℃、应变速率0.001 s-1条件下伸长率可达到993%；在同一变形温度下最大m值法拉伸能获得比恒应变速率法更好的超塑性，850 ℃时伸长率达到1353%；TC6合金在超塑性变形过程中发生了明显的动态再结晶，并随着应变速率和温度的升高动态再结晶行为增强。

TC6钛合金；超塑性；高温拉伸；最大m值

钛合金是20世纪中叶发展起来的一种新型金属材料，以其高比强度、耐腐蚀、耐高温等优良的综合性能在航空航天、造船生物医学等领域得到广泛应用。TC6是一种综合性能良好的α-β两相钛合金，具有冲击韧性好、比强度高、高温持久性好等优点，能在400 ℃下长时间工作，主要用于制造航空发动机的压气机盘和叶片等零件[1-4]。

钛合金的超塑性成形技术是利用材料在超塑性状态下的优异变形性能而发展起来的一种技术。当钛合金处于超塑性状态时，其流动性能好，易于填充，从而容易成形出形状复杂的合格零件[5]。钛合金锻件一般形状复杂，普通成形方式难以成形，通常采用超塑性成形，且通过超塑性方式成形的锻件其显微组织及宏观性能明显优于普通方式成形的锻件，国内外学者对应变速率、变形温度、组织性能等影响钛合金超塑性性能的工艺参数进行了大量研究，并对其超塑性成形机理进行了分析，表明钛合金的超塑性对应变速率和变形温度十分敏感[6-9]。

本工作分别利用恒应变速率和最大m值[10]的方法对TC6钛合金棒料进行拉伸，得到该合金在800～900 ℃下超塑性对应变速率与温度的变化规律，从中找出恒应变速率法拉伸的最佳工艺参数。对最大m值拉伸过程中应变速率的变化规律进行分析，总结出在应变速率变化条件下的变形机理，并与恒应变速率法最佳工艺参数的拉伸结果进行对比，找出最大m值法可获得材料最佳超塑性的原因。利用XJP-6A型金相显微镜对TC6拉伸后断口附近显微组织进行观察，从微观的层面分析对比温度及应变速率对TC6钛合金超塑性的影响。得出TC6超塑性变形的工艺参数，找到最大m值法控制应变速率的规律，对TC6钛合金超塑性在实际生产中的应用提供工艺及理论的支持。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

TC6钛合金为西部超导材料科技股份有限公司生产的规格为φ65 mm的棒料，化学成分见表1，其显微组织为等轴α和β双相组织，平均晶粒尺寸约为8 μm(如图1)，其β转变温度为983 ℃。加工成φ5 mm、标距为15 mm的带螺纹的圆柱形试样用于超塑性拉伸实验。

表1 TC6合金(棒料)化学成分(质量分数/%)

Table 1 Chemical composition of TC6 alloy(mass fraction/%)

AlMoCrFeSiTi6.252.431.450.480.3Bal.

图1 TC6原始材料组织Fig.1 Microstructure of TC6 alloy as-received

1.2 实验方法

实验温度为800 ℃，850 ℃，900 ℃。恒应变速率实验的应变速率为0.1 s-1，0.01 s-1，0.001 s-1，0.0001 s-1。最大m值实验初速率v0=0.8 mm/min，时间间隔Δt=6 s，速率跳跃步长ΔV=0.09 mm/min，各参数意义见参考文献[10]。将试样预热至150 ℃，在表面涂抹玻璃润滑剂进行防氧化处理，拉伸过程中玻璃润滑剂会附着在试样表面将材料与空气隔绝，拉伸结束后试样表面形成一层光滑透亮的玻璃，材料无氧化现象。将材料放入高温拉伸实验机的加热炉内保温5 min后开始进行拉伸，设备会自动采集实验过程中的位移、速率、载荷等数据。拉伸结束后对材料进行水淬以保存变形高温组织，对断口附近材料进行镶嵌、打磨、抛光、腐蚀(腐蚀液为HF ∶HNO3∶H2O=1 ∶3 ∶7)，利用金相显微镜对腐蚀后显微组织进行观察。

2 实验结果及分析

2.1 拉伸实验结果

在800～900 ℃温度区间内TC6表现出了良好的超塑性性能，每个温度下均获得了较好的伸长率。最大m值法拉伸获得了十分优异的超塑性，如图2(a)所示，850 ℃时伸长率达到1353%。TC6伸长率受温度及应变速率影响明显，随着应变速率或温度的升高，伸长率先增大后减小，在850 ℃、应变速率0.001s-1条件下获得最佳值，伸长率达到993%。并且在相同变形温度下，最大m值拉伸获得的伸长率均大于最佳应变速率进行恒应变速率拉伸的伸长率。

图2 最大m值法及恒应变速率法超塑性拉伸试样 (a)最大m值法；(b)850 ℃恒应变速率法；恒应变速率法Fig.2 Samples after superplastic tensile test with the Max m SPD and the constant strain rate (a)the Max m SPD；(b)constant strain rate tensile at 850 ℃；

2.2 实验曲线分析

最大m值拉伸时，应变速率不停循环使得材料始终保持最佳应变速率变形[11]。如图3所示，随着应变量的增加，应变速率从预设值开始迅速增加，达到峰值后逐渐下降，随后保持在0.00003 s-1至0.0002 s-1范围内循环并缓慢减小，最终其平均应变速率为0.00014 s-1。其流变应力表现出对应变速率的高度敏感，变形过程中应力随应变速率的波动而变化，且变化趋势保持一致。

图3 最大m值法条件下拉伸应力-应变及应变速率-应变曲线Fig.3 Stress-strain and strain rate-stain curves in the Max m SPD tensile test

各个条件下TC6 钛合金恒应变速率拉伸的应力-应变曲线表现为相似的特征(如图4)，其高温变形过程分为两个阶段：在变形开始阶段，流动应力随应变的增加而迅速上升，当达到峰值后，流动应力开始下降并逐渐趋于稳定，进入稳态流动。从金属高温塑性变形的物理本质来看，在变形初期，动态回复主要为软化机制，但它引起的动态软化远不足以补偿变形产生的加工硬化，因此流动应力以较快的速率增大[12-13]；当应力达到峰值后，由于变形初始阶段储存了大量的畸变能，促进了动态回复和动态再结晶的发生，因而出现明显的软化现象，引起流动应力下降，并当软化与硬化达到平衡时流动应力逐渐趋于稳定。

随温度的升高，TC6变形抗力减小，极限应变先增大再减小，如图4(a)所示。这是由于温度升高不仅降低了临界切变应力，减小了对材料位错运动和晶面间滑移的阻碍，而且增加了原子动能，促进了晶界的滑移及扩散蠕变能力，增强了动态回复与再结晶，使得变形抗力降低且变形能力提高[14]；但随着温度的进一步升高，晶粒过分长大使得TC6塑性降低。如图4(b)所示，随着应变速率的增加，TC6变形抗力增加，且变形过程中流动应力达到峰值后下降的速率也随之加快，当应变速率为0.001 s-1时没有下降趋势而直接进入稳态流动阶段，而应变速率为0.0001 s-1时流动应力在稳态流动阶段仍保持缓慢上升的趋势。这是由于应变速率越大，位错运动速率越快变形需要更大的切应力，且位错堆积的速率加快，必然会导致应力的上升。一般认为材料的流变软化现象与热效应和温度效应有关，当应变速率较大时产生的变形热无法及时向周围环境释放，导致局部升温引起流变软化[15]。热效应加快了动态回复与再结晶的发生，促进了软化的进程,故在较大的应变速率下变形时材料软化明显。

图4 TC6恒应变速率拉伸应力-应变曲线Fig.；(b)T=850 ℃

2.3 金相分析

图5为850 ℃下TC6最大m值法和恒应变速率法不同应变速率拉伸后断口附近的显微组织。相比于图1中TC6的原始组织，两种方法拉伸后材料内部均出现了大量细小的等轴晶粒，说明TC6在超塑性变形过程中发生了明显的动态再结晶，且不同温度及应变速率条件下获得的晶粒尺寸均有所不同。

图5(a)为最大m值法拉伸后断口附近显微组织，可以看到平均晶粒尺寸约为11 μm，比原始晶粒尺寸8 μm有所长大。最大m值法拉伸时应变速率不停的循环寻找材料最佳的应变速率(如图3)，变形初始阶段TC6组织均匀且等轴，有利于晶粒转动和晶界的滑移，且晶内原子排列有序无畸变，位错的增殖、滑移阻力较小，堆积位错的能力强，可参与变形的晶粒多，此时材料可在较快的应变速率下变形而不会发生破坏。随着变形量的增大，材料内部位错大量堆积，晶粒随着变形的进行被拉长破碎，产生大量畸变的晶粒，从而材料发生硬化，此时材料内部畸变的区域可能会出现空洞，继续变形会促进空洞的形成及扩展。由于前期变形中材料内部积累了大量的畸变能，降低应变速率提供足够的时间使畸变能释放，有利于再结晶形核及形核后晶粒长大，并将前期变形出现的畸变晶粒吞噬形成新的晶粒，从而促进材料软化。新形核的晶粒原子排列有序、形状规则、等轴度高，作为新的变形载体可保持试样继续变形。由于最大m值应变速率一直循环寻找最佳的应变速率，软化与硬化过程始终保持动态平衡，使得材料可以持续变形。由于整体应变速率较小，变形时间长，再结晶形核晶粒有足够时间合并、长大，故最终晶粒有所长大。

恒应变速率法拉伸时，随着应变速率的增加，断口附近再结晶形核晶粒增多，且晶粒尺寸减小，如图5(b)，(c)，(d)分别为850 ℃、应变速率0.0001 s-1，0.001 s-1，0.01 s-1条件下拉伸后的断口附近显微组织，其平均晶粒尺寸分别为9.4 μm，5.5 μm，2.6 μm。这是由于应变速率增大，变形时热效应增加，动态再结晶软化的驱动力增强，促进了动态再结晶的进行，大应变速率下，变形时间较短，动态再结晶形核晶粒没有足够的时间生长，材料内部形成的缺陷不能得到充分的消除，加快了破坏的进程，变形后晶粒较小。相反在较低的应变速率下变形时，没有足够的驱动力进行动态再结晶，软化机制主要为动态回复[13]，且由于变形时间较长晶粒长大严重，降低了材料塑性。在最佳应变速率0.001 s-1条件下变形时，由图4可知，当变形达到再结晶临界变形量后便进入稳态变形阶段，应力始终保持在同一水平，与最大m值法拉伸类似，材料软化与硬化保持动态平衡，但由于应变速率较大再结晶形核速率大于晶粒长大速率，使得最终晶粒尺寸有所减小。

图6(a)，(b)和图5(c)分别为800 ℃，900 ℃，850 ℃，应变速率0.001 s-1条件下拉伸后的断口附近显微组织，平均晶粒尺寸分别为1.8 μm，9 μm，5.5 μm。可以看出随着变形温度的升高，断口附近晶粒尺寸增大，等轴度提高，再结晶形核比例减小。较低温度变形时，当变形量足够，材料内畸变能充足时依然会发生动态再结晶，但由于温度较低，再结晶完成后变形引起的储存能已基本上完成释放[16]，由于没有足够的驱动力，新的形核晶粒长大困难，变形结束后显微组织中存在较多的再结晶形核晶粒，加之变形量较小的区域无法发生再结晶，变形后显微组织中晶粒畸变严重。温度较高时，再结晶临界变形量较小，材料内能量充足，再结晶形核晶粒及原始晶粒易于长大，变形后材料晶粒较大。

图5 850 ℃下TC6超塑拉伸变形后的显微组织Fig.5 Microstructure after superplastic tensile test at 850 ℃ (a) the Max m SPD ；；；

图6 应变速率0.001 s-1时不同温度TC6拉伸变形后的显微组织Fig.℃；(b)900 ℃

3 结 论

(1)最大m值法拉伸条件下TC6合金可获得优异的超塑性，在相同温度下，最大m值法拉伸的伸长率明显优于恒应变速率法，850 ℃下最大m值法拉伸的伸长率可达1353%。

(3)TC6合金在超塑性变形过程中发生了动态再结晶，并随着变形速率的增加其动态再结晶增强。

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(责任编辑：徐永祥)

Superplastic Deformation of TC6 Alloy

DING Ling1，WANG Zhilu2，SUN Qianjiang1，CHEN Jian1，WANG Gaochao1

(1. School of Aeronautical Manufacturing Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China；2. Aviation Industry Corporation of China, Jiangxi Jing Hang Forging and Casting Co.Ltd , Jingdezhen 333039, Jiangxi, China)

The superplastic tensile tests of TC6 alloy were conducted in the temperature range of 800-900 ℃ by using the maximummvalue superplasticity deformation (MaxmSPD) method and the constant strain rate deformation method at the strain rate range of 0.0001-0.1 s-1. The stress-strain curve of the tensile tests was obtained and the microstructure near the fracture were analyzed by metallographic microscope. The result shows that the superplasticity of TC6 alloy is excellent, and the elongation increases first and then decreases with the increase of strain rate or temperature. When the temperature is 850 ℃ and strain rate is 0.001 s-1at constant stain rate tensile tests, the elongation reaches up to 993%. However, the elongation using MaxmSPD method at 850 ℃ is 1353%. It is shown that the material can achieve better superplasticity by using MaxmSPD tensile compared to constant stain rate tensile under the same temperature. The superplastic deformation of TC6 alloy can enhance the dynamic recrystallization behavior significantly, the dynamic recrystallization behavior is promoted when strain rate and temperature are increased.

TC6 alloy; superplasticity ; isothermal tensile ; maximummvalue

2015-12-16；

2016-02-01

江西省科技支撑重点项目(CB201403026)；中航工业校企合作项目(GHK201503009，GHK201503054)；江西省自然科学基金项目(20142BAB206021)

王高潮(1956—)，男，教授，主要从事钛合金超塑成形研究，(E-mail)wanggaochao@nchu.edu.cn。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.6.004

TG316

A

1005-5053(2016)06-0023-06