董轶，李巍，周阳洋，张雪敏，刘继雄，屠孝斌，王少阳

（1、宝鸡钛业股份有限公司，陕西 宝鸡 721014；2.宝钛集团有限公司，陕西 宝鸡 721014）

关键字：TC17；热压缩；流变应力

1 前言

TC17钛合金是一种近β型钛合金，其名义成分为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr（质量分数，%）。其中Al、Sn与Zr元素可强化α相，从而改善其蠕变抗力，并且缓和β相的时效特征；Mo和Cr元素可确保大截面的热处理和淬透性，因此TC17钛合金具有良好中温强度，淬透性、疲劳和断裂韧性方面达到平衡，并且具有较好的综合性能，在各类航空发动机的风扇和压气机盘件上得到广泛的应用。目前科研人员采用热模拟技术研究钛合金热变形行为和组织演变规律已成为当今钛合金研究的热点。曾卫东等研究了TC17钛合金热变形的本构方程和加工图[1-3]。

2 试验用材及方法

2.1 试验材料

试验材料采用宝鸡钛业股份有限公司生产的，经真空自耗电弧炉三次熔炼而成的TC17钛合金铸锭（Φ796），主要化学成分（质量分数，%）如表1所示。铸锭经β相区和α+β两相区多火次锻造至Φ350mm棒材，其显微组织如图1所示，主要由初生等轴α相和β转变组织组成，α相尺寸小于10μm。经金相法测得α+β/β相转变温度为900℃。

2.2 试验方法

在TC17钛合金棒材上获取尺寸为Φ10mm×15mm的试样，试样的轴向为棒材的纵向方向。在Gleeble-3800型热模拟试验机上进行热压缩试验。实验过程中，在试样两端涂上镍基复合粘结剂并附上石墨片，从而减小设备压头与试样表面的摩擦力。将试样加热（升温速率为10℃·S-1）至应变温度后，保温5min后进行等温恒应变速率热压缩试验，实验数据均由热模拟试验机自动采集。具体实验参数选择如下：

（1）变形温度：810℃、840℃、870℃、900℃、930℃

（2）应变速率 ：10-2S-1、10-1S-1、100S-1、101S-1

（3）变形量：20%、40%、50%、60%、

当热压缩变形量达到一定程度后立刻水淬，保持高温变形时的组织形态。采用线切割将变形后的试样延轴向切开进行显微组织研究。金相试样经磨制抛光后采用HF、HNO3、H2O混合液进行腐蚀，在OLYMPUS GX71型金相显微镜上观察组织。

表1 铸锭化学成分质量分数(%)

图1 TC17棒材原始显微组织（500X）

3 实验分析与讨论

3.1 相同温度与速率下，不同变形量的真应力-应变曲线及显微组织

图2为相同试验温度与应变速率下，不同变形量试验的真应力-应变曲线，变形量分别为20%（真应变0.223）、40%（真应变0.51）与60%（真应变0.916）时停止试验。由图可知，热压缩过程中钛合金的流变应力会迅速（当真应变值为0.019左右）达到峰值（212MPa）之后会随着应变的增加而降低，当真应变达到0.58左右时，随着应变的增加，应力（168Mpa）基本不变。这是由于随着变形量的增加，位错会迅速增殖并且相互作用从而引发加工硬化，流动应力快速增至最高点；随着变形量的增大，合金内部的动态回复和动态再结晶过程会使位错密度下降，真应力值逐渐降低，最终软化过程与加工硬化过程达到动态平衡，曲线趋于稳定，其中软化现象可能是由变形过程中的形变热效应和片层组织球化引起的[4-5]。因此可知变形量对于TC17钛合金的流动应力曲线影响较小。

图4 相同试验温度与应变速率，不同变形量的TC17钛合金显微组织照片(200X)

图5 TC17钛合金真应力-应变曲线(相同温度与变形量，不同应变速率)

图3为不同变形量下试样的宏观图片。由图可见在变形量较小（20%）的时候，试样形态只是稍有鼓肚出现，并未有太大变化，而到40%与60%的时候，试样鼓肚比较明显，并且宏观图片中并未发现有明显的失稳现象出现。图4为不同变形量下TC17试样的显微组织，由图可见20%与40%的形貌并无太大区别，组织较为均匀，而在60%的变形量下可以看到明显的压缩方向与流动方向，存在一定的失稳区域。说明TC17在大变形的状态下会受到失稳行为的影响，失稳后会改变金属的流动属性，使金属流动不均匀。

3.2 相同温度与变形量下，不同应变速率的应力-应变曲线及显微组织

图5为相同温度与变形量下，不同应变速率试样的应力-应变曲线。由图可见在相同温度与变形量下，当应变速率越低，流动应力曲线会越平缓，这是由于TC17钛合金在低应变速率下变形时，动态回复增强而动态再结晶受到抑制，软化过程与加工硬化过程趋于平衡，曲线趋于稳定。随着应变速率增加，其所对应的平均真应力值越高，这是由于①高速率变形时，塑性变形不能充分扩展和完成，所以更多的变形为弹性形变，弹性变形量增大，应力值增高；②高速率变形会使得位错增殖率增大，位错的增加会使加工硬化现象更加明显，真应力值增大。

并且由图还可以发现，随着应变速率的提高，到达流动应力峰值的应变值也在增大，这可能是因为高速应变速率下会产生大量摩擦，由于摩擦产生的大量热量无法快速散失掉，所以导致心部温度高于表面温度，促进了再结晶的发生，使得达到真应力峰值的应变值也增大。并且随着应变速率的增大，真应力-应变曲线会出现连续不屈服现象。这种应力震荡的不连续屈服现象目前有二种理论可以解释：a）静态理论，即包含位错的钉扎与脱钉现象，该理论假设位错被固溶原子钉扎，在一定应力的作用下位错挣脱钉扎，导致流动应力突然下降；b）动态理论，即不连续屈服与晶界突然增殖大量可动位错有关；也可能在热压缩过程中，由于应变速率过快导致变形热不能及时传导，从而发生了局域流变，当局域流变不稳定时，加工硬化作用较大且会与动态再结晶软化交替作用导致应力高低起伏发生波动[6]。

由图还可知，不同温度下的高速率真应力-应变曲线均会有不屈服现象，这证明了TC17钛合金流动曲线波动现象并非由于形变热效率导致，可能是再结晶和固溶原子与位错相互作用的结果。所以可知TC17钛合金对于应变速率的敏感程度较高。应变速率越低，真应力值也低，真应力-应变曲线越稳定，达到真应力峰值的应变则越小。图6为相同温度（840℃）与变形量（50%）下，不同变形速率下的试样显微组织，由图可知，随着变形速率的减小，组织也会逐渐粗化。这是由于随着变形速率的增加，位错密度增加，能量增加，再结晶程度与再结晶尺寸均会增大，变形破碎的晶粒增多，而被破碎的晶粒在短时间内无法充分长大，故而组织细化。这是因为在较小的变形速率下，晶核形成孕育时间长，晶核数量比较少，所以晶粒由充足的时间长大，故而组织粗大。随着变形速率的增加，再结晶数量增多，破碎的晶粒与再结晶晶粒不能充分长大，因而晶粒细化。

3.3 相同应变速率与变形量，不同应变温度下的真应力-应变曲线

图7为相同应变速率与变形量下，不同应变温度试样的真应力-应变曲线。由图可见相同应变速率下，随着应变温度升高时，钛合金的真应力值会下降，这是由于随着温度的升高，合金的热激活作用和原子平均动能增大，晶体产生滑移的临界分切应力降低，减少了位错运动和晶界间滑移的阻碍，并且温度越高，动态回复和动态再结晶更容易进行，使位错密度降低，从而抵消了塑性变形引起的加工硬化，因此流动应力降低。当应变温度位于相变点以下时，其真应力-应变曲线达到峰值后持续下降，而当试验温度位于相变点附近或者以上时，流动应力达到峰值再下降到一定数值之后，随着应变增加变化不大，并且温度越高，曲线越平缓。这说明钛合金内组织发生了α+β相→β相的转变，更多的α相（密排六方）转变为β相（体心立方），由于β相层错能高、滑移系较多，动态回复为其主要的软化因素，所以动态再结晶受到一定程度的抑制，流动应力下降后曲线趋于平缓[7]。

图6 相同温度与变形量，不同应变速度的TC17钛合金显微组织照片(200X)

图7 TC17钛合金真应力-应变曲线(相同速率与变形量，不同应变温度)

图8 相同速率与变形量，不同应变温度的TC17钛合金显微组织照片(500X)

当应变温度位于相变点附近或者以上时，真应变大于0.5时，真应力会有稍小上扬的趋势，这可能是真应力值在受到热加工的影响以外，还受到了失稳行为的影响。失稳会改变金属的流动特征，会使金属的流动不均匀，失稳区相对滑移变形的阻力也成了流动应力的一部分，导致变形后期真应力的提升[8]。因此可知：TC17钛合金对于应变温度的敏感程度较高，当应变温度越高，真应力值则越低，真应力-应变曲线越稳定，并且达到一定变形量后真应力会有稍小的提升。

图8为相同变形速率与变形量下，不同应变温度试样的显微组织。由图8可见应变温度为810℃～840℃的时候，试样初生α含量较多，但随着应变温度的增加，试样初生α含量逐渐减少，在930℃的应变温度下，试样高倍组织基本看不到初生α。

4 结论

1）当应变速率与变形温度固定时，不同变形量对于TC17钛合金的流动应力曲线影响较小；随着变形量的增大，合金组织中的失稳区域增多；

2）TC17钛合金对于应变速率的敏感程度较高，当应变温度与变形量固定时，应变速率越低，真应力值也低，真应力-应变曲线越稳定，达到真应力峰值的应变则越小；并且随着应变速率的提高，组织细化程度提高。

（3）当应变速率与变形量固定时，应变温度越高，真应力值越低，真应力-应变曲线越稳定，组织中的初生α则越少。并且达到一定变形量后真应力会有稍小的提升。