Ti-6Al-7Nb生物钛合金高温变形机制的研究

  随着等温锻造、超塑成形等先进的成形技术的不断发展,对钛合金高温变形行为进行研究变得尤为重要。钛合金在获得最终产品前,需要在β单相区或α+β两相区进行热加工,而钛合金高温变形受应变、应变速率和温度的共同影响。合理的选择热加工参数对钛合金的加工性能(是否有裂纹、空洞和变形不均匀现象)和显微组织(晶粒尺寸、α相形态、β相形态和第二相分布)都能产生良好的影响,并且可以有效的提高加工速率、降低加工成本。近年来,为了提高钛合金零件的加工能力,各国学者对钛合金的高温变形行为以及成形性能做了大量的研究。但目前国际上对Ti-6Al-7Nb生物钛合金高温变形机制深入研究甚少。

  科研人员采用Gleeble2000热模拟机对Ti-6Al-7Nb合金锻棒在不同温度和不同应变速率下进行高温单道次压缩试验,分析不同温度和应变速率对应力-应变曲线和组织变化的影响,探讨获得良好加工性能的热变形条件,利用Arrhenius方程计算热变形激活能,为制定合理的热加工工艺提供可靠的理论依据。

  实验用料Ti-6Al-7Nb合金取自模锻棒材,原始状态为(α+β)双相组织,化学成分(%,质量分数):Al6.18,Nb7.07,Fe0.046,C0.027,Ti为基体。利用热膨胀法测出此合金α→β相变点温度约为1010℃。采用Gleeble-2000热模拟实验机进行恒温恒应变速率单道次热压缩实验。试样尺寸为Φ8mm×15mm的圆柱体,试样表面均磨光。实验变形温度分别为750、800、850、900℃,应变速率分别为0.001、0.010、0.100、1.000、10.000s-1,最大变形量70%。进行热压缩实验之前,试样两端面垫有薄Ta片,起润滑作用,加热速率为5℃·s-1,到温后保温5min,精确控制加热和保温温度(≤±5℃);然后开始压缩。实验在氩气?;は陆?,完毕后迅速取出试样空冷,以模拟实际热加工状态。利用光学显微镜和透射电镜观察变形后组织。实验结果如下:

 ?。?)Ti-6Al-7Nb合金在较低应变速率0.001~0.100s-1变形时,软化机制主要归因于α相动态再结晶;而在较高应变速率1~10s-1变形时,流变软化主要是由“绝热”效应造成的。
 ?。?)温度变化对α相体积分数有重要影响;应变速率变化对α相体积分数影响不大,但对α相形貌有重要影响。
 ?。?)Ti-6Al-7Nb合金在750、800、850和900℃温度下变形激活能分别为209.25、196.01、194.01和130.40kJ·mol-1。
 ?。?)Ti-6Al-7Nb合金在温度750~850℃,应变速率为0.001~0.100s-1范围内变形机制主要为α相动态再结晶,在温度900℃变形时,应变速率0.001~0.100s-1范围内变形机制由β相动态回复控制。

  综合考虑变形行为与组织细化因素,温度750~850℃,变形速率在0.010~0.100s-1范围内,为良性热加工区域。