Ti-5Cu合金多道次热压缩变形行为的研究

《Materials Today Communications》：Study on the Multi-pass Hot Compression Deformation Behavior of Ti-5Cu Alloy

Ti-5Cu合金多道次热压缩变形中微观结构演变与动态再结晶机制研究，通过Gleeble-3500系统在790-890℃及0.001-0.1s?1条件下进行五道次压缩试验，构建Arrhenius型本构模型显示变形受扩散控制，TEM和EBSD分析表明温度升高与应变率降低促进DRX，形成高比例高角度晶界，并揭示Ti?Cu析出物与位错缠结对再结晶的促进作用，通过动态材料模型确定830-885℃为最佳加工窗口，为工业热加工优化提供理论支撑。

　　Ti-5Cu合金因其独特的性能，在航空航天、化工设备以及生物医用材料等领域具有广泛的应用前景。该合金在高温下表现出优异的流动性能，同时由于其铜含量的加入，还具备良好的抗菌特性。这些特性使其成为研究热点，尤其是在热加工过程中，如何调控其微观结构和变形行为，以实现最佳的材料性能，是当前材料科学领域的重要课题。

为了全面探讨Ti-5Cu合金在多道次热变形过程中的微观结构演变、变形行为以及动态再结晶（DRX）机制，研究人员使用Gleeble-3500热模拟仪，在790?°C、840?°C和890?°C的温度条件下，以0.001、0.01和0.1?s?1的应变速率进行了五道次压缩试验。通过这些实验，研究人员获得了真实的应力-应变响应曲线，并据此构建了一个基于Arrhenius型的本构模型，该模型计算出的表观活化能为257.05?kJ·mol?1，表明该合金的变形主要由扩散控制的动态恢复和再结晶过程主导。这一发现不仅揭示了合金在高温下的变形机制，还为优化其热加工参数提供了理论依据。

实验中采用电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）等手段对微观结构进行了表征。结果表明，随着温度的升高和应变速率的降低，DRX现象被显著促进，从而形成更细小的等轴晶粒，并增加高角度晶界的比例。特别是在高温条件下，不连续动态再结晶（DDRX）成为主导机制，有助于提高微观结构的均匀性。TEM分析进一步证实，Ti?Cu析出相和位错缠结的存在促进了应变局部化，并作为再结晶晶粒的有效成核位点。这一发现表明，合金的微观结构演化不仅受到变形条件的影响，还与内部析出相和位错结构密切相关。

此外，基于动态材料模型（DMM）构建的热加工图显示，存在两个最佳变形窗口：865~885?°C时应变速率为0.001~0.01?s?1，以及830~850?°C时应变速率为0.01~0.05?s?1。这两个窗口的特征是高能量耗散效率（η > 0.42）和良好的结构稳定性。这些结果不仅有助于理解Ti-5Cu合金的热机械响应特性，还为工业应用中优化热加工参数提供了重要的指导意义。

在实际制造过程中，多道次热变形常用于钛合金的锻造和轧制。与单道次变形相比，多道次变形能够诱导晶粒取向的重新排列、亚晶粒细化以及次相的重新分布。例如，Yan等人对TC4合金进行了三道次热压缩实验，发现随着压缩次数的增加，层状α相逐渐球化，转变为等轴α结构，从而形成更均匀的微观结构，显著降低流动应力，并提高硬度。这一现象表明，多道次变形在微结构细化方面具有显著效果。类似的现象也出现在含铜钛合金中，如Ti-6Al-4V-5Cu合金在双道次压缩后表现出更细小的晶粒和减弱的织构。然而，针对Ti-5Cu合金在多道次热变形过程中微观结构演变和再结晶机制的系统性研究仍然有限。

构建热加工图和开发本构方程对于识别最佳热加工参数和微结构控制策略至关重要。动态材料模型（DMM）提供了一种基于能量耗散和不稳定性判据的理论框架，能够有效识别最佳加工窗口。例如，Li等人对Ti-6Al-4V-5Cu合金进行了热加工图的构建，发现其在860~920?°C温度范围内和0.001~0.1?s?1应变速率下，能量耗散效率可超过89%，从而促进再结晶和动态恢复。这些方法为建模热变形和构建热加工图提供了新的思路，但在Ti-5Cu合金中的应用仍处于探索阶段。

综上所述，目前关于Ti-5Cu合金在多道次条件下的动态再结晶机制、微观结构演变以及最佳热加工参数的研究尚不充分，亟需进一步完善相关热加工图和本构关系。本研究通过在Gleeble-3500热模拟系统上进行五道次热压缩试验，结合本构模型拟合、热加工图构建以及微观结构表征（包括光学显微镜、扫描电子显微镜、电子背散射衍射和透射电子显微镜），系统地研究了Ti-5Cu合金在不同温度和应变速率下的热变形行为和微观结构演变，旨在为优化其热加工过程提供理论指导。

在实验材料方面，研究人员从新疆的一家公司获取了实验材料，并通过电子束冷坩埚炉（EB炉）进行熔炼。原材料包括3,780?kg的海绵钛和220?kg的T2铜，按照一定比例混合后，在约2,000?°C的温度下通过电子束加热进行熔炼，熔炼速率为400?kg·h?1。熔炼和抽拉室的真空压力分别维持在0.94?Pa和0.95?Pa，氩气的流量为0.21?L·min?1。通过这种精确的熔炼工艺，研究人员确保了实验材料的均匀性和纯净度，为后续的热变形实验和微观结构分析提供了可靠的材料基础。

在真实应力-应变曲线方面，图3展示了Ti-5Cu合金在0.001、0.01和0.1?s?1应变速率下，不同变形温度下的真实应力-应变曲线。从图中可以看出，该合金表现出明显的应变速率敏感性和热软化效应。随着应变速率的增加，流动应力显著上升；而较高的温度则导致应力水平下降。在变形初期，由于Ti-5Cu合金较高的初始刚度，应变增加较为缓慢。随着变形的进行，材料逐渐软化，流动应力也随之降低。这种应力-应变响应表明，Ti-5Cu合金在高温下具有较好的塑性变形能力，但在高应变速率下则表现出较高的强度。

通过对真实应力-应变曲线的分析，研究人员不仅能够评估材料的变形能力，还能进一步探讨其本构行为。基于这些数据，构建了一个Arrhenius型的本构模型，该模型能够有效描述材料在不同温度和应变速率下的变形特征。通过模型拟合，研究人员获得了表观活化能为257.05?kJ·mol?1的参数，表明该合金的变形主要由扩散控制的动态恢复和再结晶过程主导。这一发现不仅揭示了合金的变形机制，还为优化其热加工参数提供了重要的理论依据。

此外，热加工图的构建为识别最佳加工窗口提供了直观的工具。通过动态材料模型（DMM）的理论框架，研究人员分析了材料在不同变形条件下的能量耗散效率和结构稳定性。结果显示，865~885?°C和0.001~0.01?s?1的变形条件以及830~850?°C和0.01~0.05?s?1的变形条件分别构成了两个最佳加工窗口。这些窗口的特征是高能量耗散效率（η > 0.42）和良好的结构稳定性，表明在这些条件下，材料能够实现最佳的变形效果和微观结构控制。这一发现对于工业应用中优化热加工参数具有重要意义，能够帮助制造商在保证材料性能的同时，提高生产效率。

在微观结构表征方面，研究人员采用了光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）等多种技术。通过这些技术，研究人员能够详细观察材料在不同变形条件下的微观结构演变。结果表明，随着温度的升高和应变速率的降低，DRX现象被显著促进，从而形成更细小的等轴晶粒，并增加高角度晶界的比例。特别是在高温条件下，不连续动态再结晶（DDRX）成为主导机制，有助于提高微观结构的均匀性。TEM分析进一步证实，Ti?Cu析出相和位错缠结的存在促进了应变局部化，并作为再结晶晶粒的有效成核位点。这一发现表明，合金的微观结构演变不仅受到变形条件的影响，还与内部析出相和位错结构密切相关。

通过这些研究，研究人员不仅能够理解Ti-5Cu合金在多道次热变形过程中的变形行为和微观结构演变，还能够为工业应用中优化热加工参数提供重要的理论依据。此外，这些研究结果也为进一步探索其他含铜钛合金的热加工行为和微观结构演变提供了参考。例如，Ti-15Zr-xCu合金中的Ti?Cu析出相已被证实能够促进再结晶并抑制晶粒生长，从而显著细化再结晶晶粒至亚微米级别。这一现象表明，析出相在调控材料微观结构方面具有重要作用，可以作为优化热加工参数的重要因素。

综上所述，Ti-5Cu合金在多道次热变形过程中表现出复杂的变形行为和微观结构演变。通过系统的实验研究和分析，研究人员揭示了该合金在不同温度和应变速率下的热机械响应特性，为优化其热加工参数和提高材料性能提供了重要的理论支持。这些研究不仅有助于推动钛合金在航空航天、化工设备和生物医用材料等领域的应用，还为材料科学的发展提供了新的思路和方法。