新型Ti-4.5Al-3V-1.5Zr-0.45Fe钛合金管的高温变形行为及其微观组织演变

《Journal of Materials Research and Technology》：High temperature deformation behavior and its microstructure evolution of the novel Ti-4.5Al-3V-1.5Zr-0.45Fe titanium alloy tube

　　

由于其高比强度、优异的疲劳抗力和耐腐蚀性能，Ti-3Al-2.5V钛合金管广泛应用于航空航天领域。本研究以基于Ti-3Al-2.5V的成分和应用设计的新型冷轧Ti-4.5Al-3V-1.5Zr-0.45Fe钛合金管为原料，通过热压缩进行高温变形，研究了热压缩工艺对钛合金高温变形行为及微观组织演变的影响。结果表明，该钛合金在900°C以下呈现α相的等轴组织，而随着变形温度的升高转变为粗大的β相。随着变形速率的增加，晶粒逐渐沿垂直于压缩方向被压缩。真应力随应变的增加首先增大并达到峰值应力，随后保持稳定然后缓慢下降，表现出应变软化行为特征。峰值应力随变形温度的升高而降低，随变形速率的加快而增大。降低应变速率和提高加工温度更有利于钛合金的动态再结晶（DRX）。当变形温度从800°C升高到1050°C时，微观组织由等轴晶转变为双态组织，再转变为层片组织。

本文解读新型Ti-4.5Al-3V-1.5Zr-0.45Fe钛合金管的高温变形行为及其微观组织演变研究，该论文发表于《Journal of Materials Research and Technology》。

1. 研究背景与意义
钛合金管因具有高比强度、优异的疲劳抗力和耐腐蚀性能而在航空航天领域广泛应用。其中，Ti-3Al-2.5V（ASTM Grade 9，又称TA18）是一种典型的近α钛合金，具有高强度、优良耐蚀性和冷成型性，常用于制造钛合金管。然而，该合金在热变形过程中存在成型能力差等系列问题，限制了其进一步发展。为改善钛管的力学性能，研究人员基于Al当量和Mo当量设计了Ti-Al-V-Zr-Fe系合金，即Ti-4.5Al-3V-1.5Zr-0.45Fe，期望获得更高的抗拉强度并保持一定延伸率。由于低温变形时变形抗力大、高温时晶粒易长大，因此明确高温条件下的变形行为和组织演变规律对于优化热加工工艺、扩大钛合金应用具有重要意义。

2. 研究方法概述
研究人员采用真空熔炼炉将海绵钛、VFe80、AlV65、Al豆和海绵锆熔炼三次，制备180 kg的Ti-4.5Al-3V-1.5Zr-0.45Fe铸锭，经开坯和热锻成Φ120 mm坯料，再冷轧成内径Φ8 mm、外径Φ10 mm的管材。从管材上切取12 mm长的压缩试样，在Gleeble 1500热力模拟试验机上进行等温恒速热压缩实验，变形温度为800–1050°C，初始应变速率为0.01–10 s?1，最大真应变为0.7，压缩后水冷保留高温组织。利用扫描电子显微镜（SEM）的背散射电子模式观察显微组织，采用电子背散射衍射技术（EBSD）获取晶粒取向图（IPF图），并基于载荷-位移数据绘制真应力-真应变曲线，计算峰值应力，进而建立加工图。

3. 研究结果
3.1 热压缩过程中钛合金的变形行为
通过分析不同温度和应变速率下的真应力-真应变曲线，发现所有曲线呈现相似趋势：真应力随应变增加先上升至峰值，随后保持稳定并缓慢下降，表现出典型的应变软化特征。峰值应力随变形温度升高而降低，随变形速率增大而升高。当800°C、10 s?1变形时峰值应力最大，为311.44 MPa；当1050°C、0.01 s?1变形时峰值应力最小，为15.21 MPa，仅为最大值的4.9%。

3.2 热压缩后钛合金的微观组织演变
采用SEM背散射电子模式观察压缩后组织，发现变形温度低于900°C时，合金呈等轴α相组织；温度高于950°C时，转变为粗大的β相组织。随着变形速率增大，晶粒逐渐沿垂直于压缩方向被压扁，当速率达到10 s?1时形成拉长晶粒。提高变形温度可使组织由等轴晶向双态组织、再向层片组织转变。

3.3 加工图的建立及微观组织演变机理
基于动态材料模型，计算功率耗散效率因子η和流变失稳参数，建立了真应变为0.2时的热加工图。图中失稳区位于低温高应变速率区域，说明该条件下合金易发生变形失稳；随着温度升高，失稳区向高应变速率方向移动。η值随应变速率降低和温度升高而增大，表明微观组织演变所消耗的能量增加，更有利于动态再结晶。η在900°C/0.1 s?1时达到最大值，对应最佳热加工窗口。EBSD-IPF图显示：800°C/0.1 s?1热压缩后获得细晶等轴近α组织，且存在不同区域的取向集中；900°C下变形获得双态组织，其中0.1 s?1时组织细小均匀，由细小α相和部分β转变组织组成，有利于后续冷热加工，并能通过细晶强化提高强度与塑性；950°C和1000°C下变形形成粗大层片组织，且冷却过程中α相向β相转变，会降低合金塑性。在失稳区内变形（如850°C/1 s?1和900°C/10 s?1）时，部分晶粒破碎或拉长，另一些晶粒粗化且取向杂乱，出现绝热剪切带导致的组织不均匀。

4. 讨论与结论
研究结果表明，降低应变速率、提高加工温度可促进动态再结晶，获得更细小均匀的组织，从而提升钛合金的强度与塑性；而过高的变形温度（950–1000°C）会形成粗大层片组织，降低塑性。失稳区域变形会导致组织破坏和力学性能恶化。本研究的结论可总结为：（1）钛合金在900°C以下为α相等轴组织，随温度升高转变为粗大β相；变形速率增加使晶粒垂直于压缩方向被压扁；温度过高（950–1000°C）时形成粗大层片结构，导致塑性降低。（2）真应力-真应变曲线呈应变软化特征，峰值应力随温度升高而降低、随应变速率增大而升高；在失稳区变形会使组织破碎并伴随粗大晶粒，最终导致力学性能退化。（3）900°C/0.1 s?1时η最大，热加工效率最高；随着变形温度升高和应变速率降低，η逐渐增大，有利于动态再结晶，从而获得更细更均匀的组织，实现更高的强度和塑性。该研究为新型钛合金管热加工工艺的制定提供了理论依据，并有助于扩大近α钛合金的应用范围。