航空內(nèi)燃機(jī)用TB6鈦合金高溫壓縮成形特性分析

引言

TB6鈦合金廣泛應(yīng)用于航空輕量化領(lǐng)域，該合金的主要優(yōu)勢(shì)有：耐腐蝕性好、易加工、延展性好、強(qiáng)度高、自重輕[1]。在動(dòng)荷載及高溫的條件下，金屬材料易產(chǎn)生形變，此時(shí)熱溫度和應(yīng)變率等因素的改變必然會(huì)對(duì)其力學(xué)性能產(chǎn)生一定影響[2]。溫度軟化效應(yīng)、應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)發(fā)生在材料中，然而材料熱變形行為受兩種條件的影響不同，應(yīng)變率不斷增大的情況下，材料流動(dòng)應(yīng)力受恒定溫度作用影響而不斷增大；另外當(dāng)溫度不斷提高時(shí)，流動(dòng)應(yīng)力在應(yīng)變率恒定的情況下則開(kāi)始降低[3-4]。

相關(guān)研究吸引了很多學(xué)者。霍思含等[5]針對(duì)熱軋TA18鈦合金棒材卡站壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明，經(jīng)熱軋后的TA18鈦合金棒材均可以得到均勻的顯微組織，在壓縮變形量為30%時(shí)壓縮強(qiáng)度達(dá)到最大。黃立國(guó)等[6]通過(guò)真空感應(yīng)凝殼熔煉方法制備了Ti-6Al-4V-0.1B合金鑄錠，隨后在850～985℃的溫度范圍內(nèi)和0.001～1s-1的應(yīng)變速率范圍內(nèi)開(kāi)展熱壓縮測(cè)試，結(jié)果顯示合金的流動(dòng)應(yīng)力對(duì)溫度和應(yīng)變速率都是敏感的。

張俊喜等[7]采用分離式霍普金森壓桿（SHPB）方法測(cè)試Ti-6Al-2Zr-2Sn-3Mo-2Nb-1Cr-0.1Si-Fe合金雙重退火后組織和力學(xué)性能，提高了材料的斷裂應(yīng)變。

綜上所述，本文在探究力學(xué)性能參數(shù)影響規(guī)律時(shí)，主要從流動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度、材料應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線等在受熱溫度、應(yīng)變率及應(yīng)變不同條件下變化規(guī)律展開(kāi)研究分析，為制備更優(yōu)性能的鈦合金板材提供了一定的參考價(jià)值。

1、實(shí)驗(yàn)

本次試驗(yàn)選用TB6鈦合金管材為試件原材料，尺寸為?219mm×6mm壁厚。按照?5×5圓柱體標(biāo)準(zhǔn)完成準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試件設(shè)計(jì)，該試件尺寸圖如圖1所示。

試樣數(shù)及試驗(yàn)參數(shù)值如表1所示。第一，準(zhǔn)靜態(tài)拉伸重復(fù)試驗(yàn)要求應(yīng)變率保持在0.001s^-1，同時(shí)展開(kāi)2次，基本力學(xué)參數(shù)可通過(guò)此得到；第二，靜壓縮試驗(yàn)則需保證應(yīng)變率和溫度調(diào)整至固定的變化數(shù)值。

2、金屬材料應(yīng)變率效應(yīng)

在塑性變形下材料很容易因?yàn)槲诲e(cuò)密度變化導(dǎo)致應(yīng)變率效應(yīng)產(chǎn)生，當(dāng)位錯(cuò)密度不斷增大時(shí)，流動(dòng)應(yīng)力則相應(yīng)提高[8]。當(dāng)絕熱溫升效應(yīng)在較高應(yīng)變率下產(chǎn)生，在應(yīng)變率耦合及溫度的作用下，流動(dòng)應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變率效應(yīng)，并且復(fù)雜度更高[9]。

當(dāng)受熱溫度不斷提高時(shí)，金屬材料屈服強(qiáng)度下降，表現(xiàn)為應(yīng)力—應(yīng)變曲線下移。高溫條件下材料內(nèi)部原子產(chǎn)生作用，從而造成合力降低，這種情況下也會(huì)很大程度上減少內(nèi)晶體運(yùn)動(dòng)阻力，所以流動(dòng)應(yīng)力在材料塑性變形的過(guò)程中，表現(xiàn)為易受溫度變化的宏觀影響，溫度不斷升高，流動(dòng)應(yīng)力相應(yīng)降低。

3、試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)

TB6鈦合金在高溫準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下屈服強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，如表2所示。

溫度不同時(shí)，TB6鈦合金高溫力學(xué)性能的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2所示，為不同溫度下TB6鈦合金在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過(guò)程中性能表現(xiàn)情況。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)受熱溫度不斷升高時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線開(kāi)始呈現(xiàn)下移的趨勢(shì)，并且這種變化趨勢(shì)隨著溫度升高越快而越顯著，這一現(xiàn)象意味著材料力學(xué)性能極易受受熱溫度的影響[10]。曲線在溫度達(dá)到100℃時(shí)貼近常溫值，所以力學(xué)性能不易受溫度影響，當(dāng)溫度升至200℃時(shí)，與常溫狀態(tài)相比，應(yīng)力應(yīng)變曲線下降趨勢(shì)相對(duì)較小，但是當(dāng)溫度繼續(xù)升溫至300℃和400℃時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線下降趨勢(shì)極其明顯。

3.2組織演變分析

對(duì)各壓縮溫度條件制得的TB6鈦合金試樣進(jìn)行掃描電鏡表征得到的微觀形貌如圖3所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有壓縮溫度條件下的合金組織中都形成了大量第二相顆粒，并且整體分布形態(tài)都較均勻，顆粒外形主要為短棒型與類球形結(jié)構(gòu)。利用圖像分析軟件統(tǒng)計(jì)得到第二相比例如表3所示。

可以發(fā)現(xiàn)，以200℃和400℃得到的TB6鈦合金第二相比例相對(duì)25℃的條件發(fā)生了明顯升高；其中，200℃和400℃條件下的TB6鈦合金中形成了比例基本相近的第二相，而400℃的板材形成了更少的短棒型第二相；表3給出了擠壓比26.2條件下的鋁合金板材各元素含量EDS測(cè)試結(jié)果。可以看到，此時(shí)形成了具有球型結(jié)構(gòu)的Al2Fe析出相，同時(shí)形成了TiAlFe條形析出相。

TB6鈦合金型材的力學(xué)性能受多方面因素的影響。伴隨擠壓比的增大，材料形變加大同樣會(huì)導(dǎo)致材料第二相更加彌散與細(xì)碎，析出板條狀β相數(shù)量增加、密度增大。伴隨擠壓比的不斷增大，在高溫環(huán)境下合金極易出現(xiàn)再結(jié)晶，造成晶粒變大，然而因?yàn)榈诙喔訌浬ⅰ⒚芗拗凭ЯｉL(zhǎng)大，因此合金晶粒的尺寸并沒(méi)有出現(xiàn)顯著的改變。

4、結(jié)論

本文開(kāi)展航空內(nèi)燃機(jī)用TB6鈦合金高溫壓縮成形特性分析，得到研究結(jié)果如下：

（1）TB6鈦合金在應(yīng)變?cè)谠黾舆^(guò)程存在的應(yīng)變硬化效應(yīng)較強(qiáng)。其應(yīng)變硬化效應(yīng)作用較強(qiáng)，應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)較弱。

（2）壓縮后合金組織中都形成了大量第二相顆粒，整體分布形態(tài)都較均勻，顆粒外形主要為短棒型與類球形結(jié)構(gòu)。

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