Ti1023鈦合金是20世紀(jì)70年代TiＭＥＴ公司針對(duì)損傷容限設(shè)計(jì)需要開(kāi)發(fā)的一種高強(qiáng)高韌近β型鈦合金，其名義成分為Ti-10V-2Fe-3Al［1-3］。該合金具有比強(qiáng)度高、斷裂韌性好、鍛造溫度低、淬透性好和抗應(yīng)力腐蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合制造高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)的橫梁、接頭、滑軌、隔框、起落架和直升機(jī)的連接件等零部件［4-6］。Ti1023鈦合金的熱變形主要包含加熱和變形兩個(gè)過(guò)程。根據(jù)傳統(tǒng)的物理冶金理論，鈦合金具有較高的層錯(cuò)能（純鈦約為0.31J/m²，Ti3Al約為0.208J/m²）［7］，在熱變形過(guò)程中易發(fā)生位錯(cuò)的攀移和交滑移，而動(dòng)態(tài)再結(jié)晶難以發(fā)生。但是，近些年來(lái)的研究表明，鈦合金在某些合適的熱變形條件下能夠發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，再結(jié)晶機(jī)制主要為晶界弓彎形核［8-9］。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶作為材料熱變形過(guò)程的一種重要現(xiàn)象，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為能夠明顯細(xì)化變形組織［10-11］，還能夠消除因變形產(chǎn)生的加工硬化，進(jìn)而改善鈦合金的塑性和可加工性［12-13］。

鈦合金的熱變形過(guò)程不是單一變形過(guò)程，是加熱和變形的循環(huán)過(guò)程，如鈦合金鑄錠開(kāi)坯、改鍛需要十幾個(gè)循環(huán)的加熱和變形才能徹底改變鑄錠的原始組織，達(dá)到改善其力學(xué)性能的目的。Ti1023鈦合金鑄錠的鍛造采用高低高溫度的變形工藝，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)低溫變形完成后，在下一次變形之前需要在高溫的條件下進(jìn)行加熱保溫，在保溫過(guò)程中，內(nèi)部的變形組織也會(huì)發(fā)生再結(jié)晶，此過(guò)程發(fā)生的再結(jié)晶被稱為靜態(tài)再結(jié)晶，如果保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，再結(jié)晶的晶粒會(huì)發(fā)生長(zhǎng)大，抵消前期通過(guò)鍛造獲得的晶粒細(xì)化效果，這對(duì)于組織細(xì)化是非常不利的。因此，在完成第一次相變點(diǎn)以下的變形后，下一次的相變點(diǎn)以上加熱保溫過(guò)程希望組織發(fā)生再結(jié)晶細(xì)化晶粒，但不希望再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于再結(jié)晶的研究主要集中在熱變形過(guò)程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶研究，對(duì)于加熱保溫過(guò)程發(fā)生的靜態(tài)再結(jié)晶研究較少，但靜態(tài)再結(jié)晶對(duì)整個(gè)變形過(guò)程的組織細(xì)化起到了不容忽視的作用。因此，本文主要對(duì)Ti1023鈦合金加熱保溫時(shí)變形組織靜態(tài)再結(jié)晶的形成機(jī)制和規(guī)律進(jìn)行研究，該工作對(duì)鑄錠開(kāi)坯改鍛工藝工程化應(yīng)用提供了重要的指導(dǎo)意義。

1、試驗(yàn)材料及方法

本試驗(yàn)所使用的材料是通過(guò)三次真空自耗熔煉生產(chǎn)的Ti1023高強(qiáng)韌鈦合金，其名義成分為Ti-10V-2Fe-3Al。試驗(yàn)合金的原始組織（固溶＋時(shí)效態(tài)）如圖1所示，為典型的等軸組織，初生α相呈球狀，均勻分布在β基體上。采用金相法測(cè)得該鈦合金的相變點(diǎn)為800℃。

采用線切割取尺寸為100mm×100mm×150mm的試塊，150mm方向與軸向保持一致，然后沿150mm方向在兩相區(qū)進(jìn)行70％的鍛造變形，在變形后的試塊上沿著變形方向取?10mm×15mm的試樣若干，試樣在785、800、810、825、840、855、870℃下分別保溫30、60、90、120、180、240和300min，試樣保溫后水淬，保留其高溫狀態(tài)下的組織。試樣經(jīng)打磨、拋光后進(jìn)行金相腐蝕，腐蝕液的配比（體積比）為HF∶HNO₃∶H₂O＝1∶2∶7。金相組織觀察與分析在LeicaDMI3000M型臥式金相顯微鏡上完成。統(tǒng)計(jì)并分析變形組織靜態(tài)再結(jié)晶的規(guī)律，通過(guò)Origin軟件繪制靜態(tài)再結(jié)晶矩陣圖。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　變形組織演變規(guī)律

鈦合金鑄錠的晶粒組織粗大，綜合性能很差，無(wú)法直接在工程上使用。為改善鈦合金鑄錠的組織和性能，需要將鈦合金鑄錠進(jìn)行組織細(xì)化，常用的細(xì)化方式為鍛造變形。Ti1023鈦合金為高強(qiáng)韌型鈦合金，在室溫下變形抗力大，不易變形，因此鈦合金的鍛造變形需要在加熱后完成。鍛造變形過(guò)程主要有3個(gè)變形區(qū)，分別為變形死區(qū)、大變形區(qū)和自由變形區(qū)，如圖2所示。與上、下模具接觸的部分為Ｉ區(qū)，該區(qū)域金屬變形時(shí)與模具產(chǎn)生橫向摩擦，摩擦力阻礙金屬的橫向流動(dòng)，該區(qū)變形量小，屬于變形死區(qū)部分，該區(qū)組織與原始組織差別不大；心部為Ⅱ區(qū)，金屬受壓過(guò)程，心部的金屬流動(dòng)受上、下面工裝約束，所以金屬橫向向外擴(kuò)展，橫截面面積增大，材料變形量大，有利于組織的細(xì)化，該區(qū)屬于大變形區(qū)部分；外緣部分為Ⅲ區(qū)，外緣金屬受到心部金屬的向外擠壓力，橫向向外擴(kuò)展變形產(chǎn)生鼓肚，變形量介于變形死區(qū)和大變形區(qū)之間，該區(qū)屬于自由變形區(qū)部分。

Ti1023鈦合金鑄錠發(fā)生大變形后，原始晶粒的晶界α相發(fā)生破碎，鑄錠內(nèi)部組織積累大量的應(yīng)變能，在后續(xù)加熱過(guò)程中變形組織發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。通過(guò)高低高不同的加熱溫度，反復(fù)鍛造十幾個(gè)火次，鈦合金鑄錠組織能夠完全細(xì)化，力學(xué)性能得到提升，達(dá)到制備鍛件的要求。

2.2　靜態(tài)再結(jié)晶機(jī)制與規(guī)律

鈦合金鑄錠每次熱變形都是加熱和變形的重復(fù)過(guò)程，在變形過(guò)程中，通過(guò)上下面壓力傳導(dǎo)，內(nèi)部變形組織發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒得到細(xì)化，同時(shí)內(nèi)部變形組織也累積了大量的位錯(cuò)和高的畸變能，這些累積的位錯(cuò)和畸變能在鑄錠冷卻下來(lái)后并不會(huì)消失，而是傳遞到下一鍛造火次中。在后續(xù)的鍛造火次進(jìn)行加熱和保溫時(shí)，變形組織內(nèi)部位錯(cuò)團(tuán)和高畸變能部位會(huì)優(yōu)先形成新的晶核，變形組織發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，組織得到進(jìn)一步細(xì)化。Ti1023鈦合金在800℃以下加熱和保溫時(shí)，變形組織以發(fā)生回復(fù)為主，靜態(tài)再結(jié)晶為輔，如圖3所示，在加熱溫度為785℃，保溫時(shí)間為90min的條件下，畸變能高的位置優(yōu)先發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，其余部分發(fā)生回復(fù)，釋放了剩余的畸變能，大部分組織保留了塑性變形的特征。

Ti1023鈦合金在800℃以上加熱和保溫時(shí)，變形組織以發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶為主，回復(fù)為輔。在加熱溫度為810℃條件下，合金保溫不同時(shí)間的靜態(tài)再結(jié)晶情況如圖4所示。從圖4（ａ）可以看出，加熱溫度為810℃，保溫時(shí)間為30min時(shí)，合金變形組織已經(jīng)完成了靜態(tài)再結(jié)晶轉(zhuǎn)變，再結(jié)晶后的晶粒尺寸約100μm。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大，當(dāng)保溫時(shí)間為120min時(shí)，再結(jié)晶晶粒尺寸達(dá)到200μm，長(zhǎng)大約1倍（見(jiàn)圖4（ｄ））。Ti1023鈦合金在保溫時(shí)間為90min，不同加熱溫度下的靜態(tài)再結(jié)晶情況如圖5所示。從圖5（ａ）可以看出，加熱溫度為810℃時(shí)，再結(jié)晶晶粒尺寸約120μm。

隨著加熱溫度的升高，再結(jié)晶晶粒發(fā)生長(zhǎng)大，加熱溫度為855℃時(shí)，再結(jié)晶晶粒尺寸達(dá)到200μm，長(zhǎng)大約1倍（見(jiàn)圖5（ｄ））。綜上所述，鈦合金在變形細(xì)化組織過(guò)程中，后續(xù)加熱溫度和保溫時(shí)間對(duì)組織細(xì)化至關(guān)重要。在800℃以上加熱時(shí)，加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大的趨勢(shì)越明顯，越不利于組織細(xì)化。因此，Ti1023鈦合金鑄錠熱變形過(guò)程中在800℃以上加熱和保溫時(shí)需選取合適的熱加工參數(shù)，避免再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大抵消鍛造變形的組織細(xì)化效果。因此，Ti1023鈦合金鑄錠開(kāi)坯改鍛采用高低高變形工藝時(shí)，在完成第一個(gè)低溫變形后，下一個(gè)高溫加熱和保溫時(shí)，加熱溫度不宜過(guò)高，保溫時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，避免再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大。

2.3　再結(jié)晶矩陣圖

不同的加熱溫度和保溫時(shí)間對(duì)Ti1023鈦合金變形組織發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶的影響不同。將變形組織發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶后的晶粒尺寸進(jìn)行分級(jí)，再結(jié)晶晶粒尺寸越大，對(duì)應(yīng)的晶粒度等級(jí)越小。按照上述規(guī)則，Ti1023鈦合金變形組織靜態(tài)再結(jié)晶后的晶粒度等級(jí)與加熱溫度和保溫時(shí)間的矩陣圖如圖6所示。

根據(jù)圖6可知，Ti1023鈦合金在800℃以上加熱保溫時(shí)，在一定的加熱溫度下，靜態(tài)再結(jié)晶的晶粒尺寸隨保溫時(shí)間的增加而增大，當(dāng)晶粒長(zhǎng)大到一定程度后，再結(jié)晶晶粒尺寸不再發(fā)生變化。在一定的保溫時(shí)間下，靜態(tài)再結(jié)晶的晶粒尺寸隨加熱溫度的增加而增大，加熱溫度越高，變形組織完成靜態(tài)再結(jié)晶后晶粒長(zhǎng)大的趨勢(shì)越明顯。

3、結(jié)論

1）Ti1023鈦合金在兩相區(qū)經(jīng)70％的鍛造變形后，組織能夠發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒得到細(xì)化，力學(xué)性能得到提升。

2）Ti1023鈦合金經(jīng)70％兩相區(qū)變形后，在800℃以下加熱保溫時(shí)，變形組織以發(fā)生回復(fù)為主，靜態(tài)再結(jié)晶為輔，再結(jié)晶晶粒未發(fā)生長(zhǎng)大，組織保留了塑性變形的特征；在800℃以上加熱保溫時(shí)，變形組織以發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶為主，回復(fù)為輔，且隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，再結(jié)晶晶粒發(fā)生長(zhǎng)大，而晶粒長(zhǎng)大到一定程度后，隨著保溫時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)不再發(fā)生明顯變化。

3）Ti1023鈦合金經(jīng)70％兩相區(qū)變形后在800℃ 以上加熱時(shí)，一定的保溫時(shí)間條件下，靜態(tài)再結(jié)晶的晶粒尺寸隨加熱溫度的增加而增大，加熱溫度越高，組織完成靜態(tài)再結(jié)晶后晶粒長(zhǎng)大的趨勢(shì)越明顯。

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