TA32高溫鈦合金板超塑性能研究

超塑成形是一種低成本、高效益、近無余量的成形工藝，具有有效降低結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)的完整性和承載效率的優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1–2]。

TA32合金是在TA12 合金基礎(chǔ)上進(jìn)行成分改進(jìn)而得到的一種新型近α 型鈦合金，名義成分為Ti–5.5A1–3.5Sn–3.0Zr–0.7Mo–0.3Si–0.4Nb–0.4Ta[3]。該合金在550 ℃具有良好的綜合性能，在低于550 ℃的環(huán)境可長時間使用，短時使用溫度可達(dá)600 ℃，在超音速飛行器和航空發(fā)動機(jī)中具有廣泛的應(yīng)用前景。目前國內(nèi)已針對TA32合金板材開展了熱變形行為的研究[4–7]，但超塑成形相關(guān)的研究較少[8–9]。

在本研究中，通過單向超塑拉伸試驗(yàn)研究變形工藝參數(shù)（應(yīng)變速率、變形溫度）對TA32 合金超塑性的影響規(guī)律，獲得最大超塑延伸率的工藝參數(shù)。通過錐形件的超塑脹形，研究平面應(yīng)力變形條件下TA32 合金的變形特征和微觀組織演變規(guī)律，為結(jié)構(gòu)件的工藝設(shè)計提供參考。

1、試驗(yàn)材料及方法

1.1　試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為寶鈦集團(tuán)提供的1.5 mm 厚退火態(tài)TA32鈦合金板，板材的原始顯微組織如圖1 所示，由白色等軸α 和黑色β 相組成，β 相呈等軸狀或長條狀，平均晶粒尺寸小于5 μm。

1.2　試驗(yàn)方法

（1）單向超塑拉伸試驗(yàn)。

利用線切割加工出如圖2 所示的拉伸試樣，試樣表面經(jīng)除油處理和砂紙研磨，保證表面平整、無裂紋。

試樣標(biāo)距表面均勻涂抹抗氧化涂料。超塑拉伸試驗(yàn)在SANS–CMT4104 型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣加熱采用電阻爐，工作區(qū)的溫度誤差≤ ±5 ℃。超塑拉伸時，拉伸試樣加熱到溫后保溫5 min，以保證試樣溫度分布均勻，然后進(jìn)行恒應(yīng)變速率單向超塑拉伸，試驗(yàn)過程中通過橫梁位移來計算試樣變形。選取的超塑拉伸溫度為920 ℃、940 ℃、960 ℃、980 ℃，應(yīng)變速率為5.0×10^–5 s^–1、1.0×10^–4 s^–1、1.0×10^–3 s^–1。

（2）錐形件超塑脹形試驗(yàn)。

板材下料尺寸為180mm×180 mm，板料上下表面均勻噴涂止焊劑。錐形件超塑脹形試驗(yàn)在專用的脹形模具中進(jìn)行，如圖3 所示。試驗(yàn)時，先將板材放置在上下模中間，并加熱模具，當(dāng)溫度達(dá)到200 ℃時，模具中加入0.02 MPa 保護(hù)氣，當(dāng)模具溫度達(dá)到目標(biāo)溫度，上模通入氬氣使板料開始脹形，脹形過程中采用勻速連續(xù)加壓，加壓速率為0.02 Pa/min，直至零件吹破為止。選取成形溫度為920 ℃、940 ℃、960 ℃、980 ℃。取出零件后，從錐形件不同位置取樣，采用OLYMPUS BX41M 金相顯微鏡對顯微組織進(jìn)行觀察分析。

2、結(jié)果及討論

2.1　應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4 為相同應(yīng)變速率不同變形溫度的拉伸真應(yīng)力–應(yīng)變曲線，可以看出曲線呈現(xiàn)出明顯的加工硬化變形特征，在所有變形條件范圍內(nèi)應(yīng)力均隨著應(yīng)變的增加而增加，當(dāng)變形大于峰值應(yīng)變后，應(yīng)力迅速減小，發(fā)生斷裂。原因是恒應(yīng)變速率拉伸過程中隨著變形量的增加，橫梁的移動速度增加，材料發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶軟化的速度小于加工硬化的速度。然而，采用恒速度超塑拉伸的曲線特征則與恒應(yīng)變速率的相反，峰值應(yīng)變通常較小，變形繼續(xù)增加時則發(fā)生軟化，即應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而減小，應(yīng)變速率逐漸減小。由此可以推斷，動態(tài)再結(jié)晶的軟化作用取決于變形歷史。

圖5 為應(yīng)變速率對真應(yīng)力– 應(yīng)變曲線的影響，可見，除960 ℃之外，其他3 個溫度變形時，應(yīng)變速率為1×10^–4 s^–1 和5×10^–5 s^–1 的應(yīng)力– 應(yīng)變曲線幾乎重合，表明低應(yīng)變速率條件下應(yīng)變速率對流變應(yīng)力的影響較小。

2.2　超塑延伸率

圖6 為不同參數(shù)條件下的超塑延伸率，由圖6（a）可知，在同一變形溫度下，超塑性分為兩種類型，變形溫度為920 ℃和940 ℃時，超塑延伸率均隨應(yīng)變速率的增加而增加，在應(yīng)變速率為1×10^–3 s^–1 時最高，分別為864% 和862%；而變形溫度為960 ℃和980 ℃時，超塑延伸率隨應(yīng)變速率的增加先降低后緩慢增加，在應(yīng)變速率為5×10^–5 s^–1 時最高，分別為554% 和387%。由圖6（b）可知，在同一應(yīng)變速率下，超塑延伸率隨著溫度的升高先增加后降低，變形溫度為940 ℃時最高，變形溫度為980 ℃時，超塑延伸率最低，均小于400%。因此，采用單向超塑拉伸時，溫度920~940 ℃和高應(yīng)變速率1×10^–3 s^–1時為最佳變形條件，變形溫度不宜超過980 ℃。

2.3　錐形件超塑脹形

圖7 為錐形件超塑脹形后的結(jié)果，可知錐形件超塑脹形后外觀質(zhì)量良好，失效位置均位于變形量最大的錐頂。

對不同溫度條件下錐形件的脹破壓力和高度進(jìn)行比較（圖8），由圖8（a）可見，隨著變形溫度的增加，錐形件脹破壓力逐漸減小，溫度為960 ℃和980 ℃時基本相同，均為0.6 MPa，溫度為920 ℃和940 ℃分別為1.1MPa 和1.0 MPa。然而，不同溫度下的錐形件的高度差別較大，在940 ℃和960 ℃時，錐形件的高度較高，分別為90 mm 和92 mm，該結(jié)果對結(jié)構(gòu)件的工藝設(shè)計具有很重要的參考價值。由圖8（c）可見，4 個溫度條件下試件貼模后的壁厚變化呈線性減薄，接近錐頂位置未貼膜，壁厚減薄呈拋物線變化。

圖9 為錐形件在940 ℃和980 ℃成形后不同位置的微觀組織，其中A1~A4 變形量逐漸增大。可見，同一變形溫度下經(jīng)過不同變形量變形后的微觀組織變化并不顯著，均為細(xì)小等軸晶粒，且隨著變形溫度的升高，晶粒逐漸粗化，940 ℃和980 ℃成形后的平均晶粒尺寸分別約為9μm 和11μm。

3、結(jié)論

（1）在920~960 ℃、應(yīng)變速率1×10^–3~5×10^–5 s^–1 條件下，TA32鈦合金板材具有良好的超塑性，采用單向超塑拉伸時，溫度920~940 ℃和高應(yīng)變速率1×10^–3 s^–1 時為最佳變形條件。

（2）隨著變形溫度的增加，錐形件脹破壓力逐漸減小，在960 ℃和980 ℃時最小，為0.6 MPa；在940 ℃和960 ℃時，錐形件的高度較高，分別為90 mm 和92 mm；經(jīng)過不同變形量的變形后的微觀組織變化并不顯著，該結(jié)果為結(jié)構(gòu)件的工藝設(shè)計提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]　李志強(qiáng), 郭和平. 超塑成形/ 擴(kuò)散連接技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展和發(fā)展趨勢[J]. 航空制造技術(shù), 2010, 53(8): 32–35.

LI Zhiqiang, GUO Heping. Application progress and developmenttendency of superplastic forming/diffusion bonding technology[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2010, 53(8): 32–35.

[2]　HEFTI L D. Innovations in the superplastic forming anddiffusion bonded process[J]. Journal of Materials Engineering andPerformance, 2008, 17(2): 178–182.

[3]　王清江, 劉建榮, 楊銳. 高溫鈦合金的現(xiàn)狀與前景[J]. 航空材料學(xué)報, 2014, 34(4): 1–26.

WANG Qingjiang, LIU Jianrong, YANG Rui. High temperaturetitanium alloys: Status and perspective[J]. Journal of AeronauticalMaterials, 2014, 34(4): 1–26.

[4]　FAN R L, WU Y, CHEN M H, et al. Relationship amongmicrostructure, mechanical properties and texture of TA32 titanium alloysheets during hot tensile deformation[J]. Transactions of NonferrousMetals Society of China, 2020, 30(4): 928–943.

[5]　吳榮華, 陳明和, 謝蘭生, 等. TA32 鈦合金高溫應(yīng)力松弛行為及其對應(yīng)的本構(gòu)方程[J]. 稀有金屬材料與工程, 2019, 48(10):3142–3148.

WU Ronghua, CHEN Minghe, XIE Lansheng, et al. Stressrelaxation behavior and corresponding constitutive relation of TA32titanium alloy at high temperature[J]. Rare Metal Materials andEngineering, 2019, 48(10): 3142–3148.

[6]　陳燦, 陳明和, 謝蘭生, 等. TA32 新型鈦合金高溫流變行為及本構(gòu)模型研究[J]. 稀有金屬材料與工程, 2019, 48(3): 827–834.

CHEN Can, CHEN Minghe, XIE Lansheng, et al. Flow behaviorof TA32 titanium alloy at high temperature and its constitutive model[J].Rare Metal Materials and Engineering, 2019, 48(3): 827–834.

[7]　龔宗輝, 謝蘭生, 陳明和, 等. 新型TA32 鈦合金板的高溫拉伸變形行為[J]. 機(jī)械工程材料, 2019, 43(1): 69–74.

GONG Zonghui, XIE Lansheng, CHEN Minghe, et al. Hightemperature tensile deformation behavior of new titanium alloy sheetTA32[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2019, 43(1): 69–74.

[8]　劉章光, 李培杰, 尹西岳, 等. 變形參數(shù)對TA32 合金的超塑性變形行為及微觀組織演化的影響[J]. 稀有金屬材料與工程,2018, 47(11): 3473–3481.

LIU Zhangguang, LI Peijie, YIN Xiyue, et al. Effects of deformationparameters on the superplastic behavior and microstructure evolutionof TA32 alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2018, 47(11):3473–3481.

[9]　程超, 陳志勇, 劉建榮, 等. TA32 鈦合金板材的超塑性能研究[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展, 2020, 37(2): 21–25.

CHENG Chao, CHEN Zhiyong, LIU Jianrong, et al. Research onsuperplastic behavior of TA32 titanium alloy plate[J]. Titanium IndustryProgress, 2020, 37(2): 21–25.

通訊作者：周麗娜，工程師，碩士，研究方向?yàn)榻饘俪尚渭夹g(shù)。