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1、细晶TC21钛合金超塑成形及扩散连接技术研究（摘要）细晶TC21钛合金超塑成形及扩散连接技术研究（摘要） 陈国清，周文龙 ( 大连理工大学材料科学与工程学院 ) 1 前言 TC21钛合金屈强比较高，回弹严重，冷加工比较困难，所幸该合金具有超塑性，尽管如此，有关TC21钛合金超塑性系统性的研究相对较少，尤其具有优异性能的细晶钛合金的研究尚未见报道48。本试验研究了细晶TC21钛合金超塑性拉伸的力学性能以及细晶TC21合金在不同工艺参数条件下的超塑性扩散连接技术。 2 试验方法 超塑性研究采用的TC21钛合金板材由西北有色金属研究院提供，名义成分（原子百分数）为Ti-6Al-2Zr-2Sn-3Mo
2、-1Cr-2Nb-0.1Si，相变点温度为9505。经热机械处理后，晶粒细化到4m，用线切割将板材加工成标距尺寸为10mm6mm2mm的拉伸试样。在MTS-810试验机上进行超塑性拉伸，拉伸方向沿轧制方向，实验温度范围为860950，环境气氛为空气，拉伸时试样表面涂覆高温抗氧化涂料，拉断后，立即开炉取样，将其水淬。利用计算机程序控制，不断调整拉伸夹头移动速度以保证试样变形时应变速率的基本恒定，实现恒应变速率拉伸，应变速率范围为510-4s-1110-3s-1。TEM观察是是在JEM-100CX型透射电镜上进行，制样采用的电解双喷液为60%的甲醇，35%的丁醇和5%的高氯酸的混合液。 超塑性扩散
3、连接实验材料为TC21合金板材，经过不同条件的热机械处理后，分别得到晶粒度为2m、4m和7m的板材，板厚2mm。用线切割方法，沿热加工方向切割尺寸为20mm15mm2mm的长方形试样。本实验在扩散连接专用设备上进行，加热装置由电阻式高温加热炉和两组热电偶温控器组成，加压装置由液压和氩气瓶组成。测试环境为真空，选取相变点以下温度（T-50）制备扩散连接实验样品。扩散连接后冷却方式为炉冷，采用Olympus BX41M光学金相显微镜和EPMA-1600电子探针观察扩散连接试样显微组织。 3试验结果 3.1超塑性能及变形机制研究 3.1.1 断裂延伸率与最大流动应力 在较低应变速率条件下（110-3
4、s-1和510-4s-1），max随温度的升高先缓慢增大后快速减小；而较高应变速率条件下（510-3s-1），max随温度的升高而逐渐减小。在相同温度条件下，max随着应变速率的增加而减小。在试验条件范围内，max随着应变速率的减小或者温度的升高而减小。温度为950时，三种应变速率条件下获得的max和max数值相近，即在相变点附近应变速率对TC21合金的超塑性能影响较小。由于受拉伸试验机行程的限制，延伸率最大值只能达到1240%，尚未断裂，且变形均匀、无颈缩。在试验条件下，细晶TC21钛合金的最佳超塑性变形温度为890，最佳应变速率为510-4s-1。 3.1.2 真应力-真应变曲线 在准稳定
5、变形区，流动应力-应变曲线出现两种截然不同的变化趋势：较高应变速率条件下，流动应力越过峰值后逐渐下降，合金表现出持续的软化行为（图4a曲线1、2，图4b曲线1）；反之，较低应变速率条件下，流动应力逐渐升高，表现为持续的加工硬化现象。与TC4 合金的流动应力-应变曲线变化趋势相同9,10。 随着温度的升高或应变速率的减小，流动应力降低，至950时流动应力降至15MPa左右，但此时510-4s-1应变速率下测得的流动应力反而稍高于110-3s-1条件下测得的流动应力。另一方面，应变速率为110-3s-1时，随着温度的升高，合金由软化行为转变为加工硬化行为，即超塑性随着温度的升高明显向高应变速率方向
6、移动。 3.1.3 应变速率敏感指数m 为了减小组织变化对m值的影响，本试验在Backofen方法基础上，采用多次应变速率递减法测定m值11，试验获得的载荷-应变曲线6a给出了TC21钛合金在860950温度范围内，不同应变速率条件下获得的m值对应的S曲线。 应变速率递减试验的初始应变速率为110-2s-1，真应变每增加0.2时应变速率突变一次，以保证得到稳定的流变又避免长时间高温环境对组织产生影响。随着应变速率的增大，温度的升高，m值不断减小，但在整个变形区内，m值均大于0.3。在860、510-4s-1时，m值高达0.896，m的最大值与最大延伸率max并未在同一条件下出现。随着温度的升高
7、，应变速率的减小，流动应力显著下降。 3.1.4 变形激活能 超塑性金属变形过程属于热激活过程，变形速率与温度应遵循Arrhenius关系。恒应变速率变形条件下，取?=K?，可得到： ?m?=A?1/mexp(-Q/RT) （1）式中，A为无 量纲常数；真应力；m应变速率敏感指数；Q超塑性变形激活能；R气体常数；T热力学温度。Q则可由关系式 R?ln?Q=? （2） m?(1/T)?位错在晶界处聚集，并有向晶界处运动的趋势，晶界处的位错密度明显高于晶粒内部。位错滑动遇到障碍时，可藉热激活产生攀移而避开障碍，攀移的结果使得滑动位错形成位错列（图8b），进而多边形化，并不断吸收高温变形产生的畸变能
8、，演化为小角度晶界甚至大角度晶界。在低应变速率510-4s-1条件下变形的试样中并未检测到明显的位错。 3.1.5 超塑性变形机理的分析 超塑性变形主要是晶界行为，而引起晶界运动的主导微观机制有很多，微观协调机制控制着超塑性变形的速率1214。从TC21合金的高温拉伸结果可知，TC21合金在高、低应变速率变形区存在明显不同的变形协调机制，不同的变形机制造成不同的应力-应变曲线变化趋势。 3.2 超塑性扩散连接的研究 3.2.1 合金相变点测定 利用金相法，通过对比分析初生的体积分数来确定合金的相变点。随着淬火温度接近T，初生相量的减少，当初生相消失即可判定此时的温度为相转变温度。TC21合金在
9、900淬火状态下的TC21合金有大量的初生相，说明该淬火温度距T还较远，而920、930淬火状态下初生相的数量较900有明显减少，并且在920和930淬火状态下，都有少量的马氏体保留下来，这说明淬火温度已接近于T。940淬火状态下已基本看不到初生相，同时还可以观察到少量的马氏体。960淬火状态下，可以看到金相组织中有大量单相马氏体。由此可以判定TC21合金的T在930940。 3.2.2 超塑性扩散连接的微观组织 表1给出了不同实验工艺参数下的焊合率。实验发现，TC21合金在设定的工艺参数水平下最高焊合率达到99.8%，最低仅有72.7%。 表1 TC21合金在不同工艺参数下的焊合率 实验条件
10、 实验内容 TC21 2TC21 2TC21 2TC21 4TC21 4TC21 4TC21 7TC21 7TC21 7 m m m m m m m m m 温度 （） 880 900 920 880 900 920 880 900 920 压强 （Mpa） 1 2 1.5 2 1.5 1 1.5 1 2 时间 （min） 30 60 90 90 30 60 60 90 30 好接头 （%） 99.7 98.9 99.8 82.1 94.2 99.0 72.7 94.4 99.1 焊合率 中等接头 （%） 0.3 1.1 0.2 17.2 5.2 0.7 21.0 4.8 0.9 差接头 （%
11、） 0 0 0 0.7 0.6 0.3 6.3 0.8 0 3.2.3 超塑性扩散连接元素扩散行为 通过分析TC21合金与工业纯钛超塑性扩散连接接头处的元素分布，研究TC21合金超塑性扩散连的元素扩散行为。结果发现，Al、Zr、Cr元素在接头处分布较为均匀，且在纯钛边有分布，表明在扩散连接中较为活跃，扩散速度快。接头区域的元素线分布表明，各元素分布曲线在接头处的坡度明显不同，说明元素扩散速度存在显著差异。其中Cr、Nb元素的坡度较平缓，表明这些元素的扩散能力较强。而Sn元素在接头处呈现富集高浓度，说明Sn元素扩散活度大，但在纯钛基体中扩散较困难。元素扩散行为差异导致在接头处形成了成份不同的区域
12、，稳定化元素富集提高了接头处的相稳定化系数，促进增加相体积分数的增加。 4 结论 1、在试验条件下，TC21钛合金表现出优异的超塑性，在温度890和应变速率510-4s-1时，具有最佳超塑性能，其延伸率超过1240%。 2、TC21合金具有较高的应变速率敏感指数，最大值可达0.896。 3、在较低应变速率条件下，计算得到的超塑性表观激活能为176kJ/mol，此时超塑性变形是受晶界扩散控制的晶界滑动；较高应变速率条件下的表观激活能为274kJ/mol，此时超塑性变形机制为位错运动协调的晶界滑动，同时动态再结晶也是合金超塑性变形的重要协调机制。 4、通过金相法测定TC21合金的相变点T为9309
13、40。 5、较细晶（24m）TC21合金更容易进行扩散连接，具有较好的扩散连接工艺性能，在扩散连接的接头处易于获得细小的等轴晶粒；在较高温度下扩散连接，离接头两侧较远处较易形成网篮组织，母材晶粒度越大形成网篮组织的趋势越明显。 6、在扩散连接过程中，TC21合金中的相稳定元素更活跃，扩散能力较强。 参考文献 1 Zhao Yongqing (赵永庆), Qu Henglei(曲恒磊), Feng Liang(冯亮) et al. Reseach on High Streengh, High Toughness and High Damage-tolerant Titanium Alloy-TC
14、21J. Titanium Industry Progress(钛工业进展), 2004, 21(1): 22-24 2 Zhang Yingnan(张颖楠), Li Hui(李辉), Qu Henglei(曲恒磊) et al. Properties of Study on Ti-6-22-22-Cr SheetJ. Heat Treatment of Metal(金属热处理)2002, 27(12): 1416 3 Li Hui(李辉), Qu Henglei(曲恒磊), Zhao Yongqing(赵永庆) et al. Effect of Lamellar Thickness on F
15、atigue Crack Growth Rate of TC21 Alloy of Damage ToleranceJ. Jounal of Materials Engineering(材料工程), 2006, 4: 2123 4 Zhang Yingnan(张莹楠), Zhao Yongqing(赵永庆), Qu Henglei(曲恒磊) et al. Effect of Heat Treatment on Microstructure and Tensile Properties of TC21 AlloyJ. Chinese Jounal of Rare Metals(稀有金属), 2004, 28(1): 3437 5 Qu Henglei(曲恒磊), Zhao Yongqing(赵永庆), Feng Liang(冯亮) et al. Study on Microstructures of TC21 A
