(α_2+γ)双态细晶高铌...l合金的热变形行为及其机制_杨光.pdf

第4 1卷 第3期 陕西科技大学学报 V o l.4 1N o.3 2 0 2 3年6月 J o u r n a l o fS h a a n x iU n i v e r s i t yo fS c i e n c e&T e c h n o l o g y J u n.2 0 2 3*文章编号:2 0 9 6-3 9 8 X(2 0 2 3)0 3-0 1 3 8-0 9(2+)双态细晶高铌T i A l合金的热变形行为及其机制杨 光1,左俊娴1,杨肖肖2,韩松松1,白文鹏1,李誉之1(1.陕西科技大学 机电工程学院,陕西 西安 7 1 0 0 2 1;2.西安优耐特容器制造有限公司,陕西 西安 7 1 0 2 0 1)摘 要:在G l e e b l e-1 5 0 0 D热模拟试验机上对(2+)双态细晶高铌T i A l合金进行热压缩实验,研究了其热变形行为和变形机制.结果表明:不同变形条件下的应力-应变曲线均呈现“加工硬化-动态软化”的特征,并且峰值应力随着变形温度的升高和应变速率的降低逐渐减小.采用幂率方程对不同工艺参数下的应力指数n和表观激活能Q进行了计算,结合显微组织表征分析了该合金的变形机制.在低温高应变速率下合金的变形由位错蠕变机制主导,在高温低应变速率下合金的变形受位错蠕变和晶界滑动机制共同控制.关键词:高铌T i A l合金;热变形行为;显微组织;变形机制中图分类号:T G 1 1 3.1 2 文献标志码:AH o td e f o r m a t i o nb e h a v i o r sa n dm e c h a n i s m so fh i g hN bc o n t a i n i n gT i A la l l o y sw i t hr e f i n e d(2+)d u p l e xm i c r o s t r u c t u r eYANGG u a n g1,Z UOJ u n-x i a n1,YANGX i a o-x i a o2,HANS o n g-s o n g1,B A IW e n-p e n g1,L IY u-z h i1(1.C o l l e g eo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g,S h a a n x iU n i v e r s i t yo fS c i e n c e&T e c h n o l o g y,X i a n7 1 0 0 2 1,C h i n a;2.X i a nU n i t e dP r e s s u r eV e s s e lC o.,L t d.,X i a n7 1 0 2 0 1,C h i n a)A b s t r a c t:I nt h i sw o r k,h o td e f o r m a t i o nb e h a v i o r sa n dd e f o r m a t i o nm e c h a n i s m so fh i g hN bc o n t a i n i n gT i A l a l l o y sw i t hr e f i n e d(2+)d u p l e xm i c r o s t r u c t u r ew e r e i n v e s t i g a t e db yh o tc o m p r e s s i o ne x p e r i m e n t so nG l e e b l e-1 5 0 0 D m a c h i n e.R e s u l t ss h o w e dt h a tt h es t r e s s-s t r a i nc u r v e su n d e rd i f f e r e n td e f o r m a t i o nc o n d i t i o n sp r e s e n t e dac h a r a c t e r i s t i co f w o r kh a r d e n i n g-d y n a m i cs o f t e n i n g,a n dp e a ks t r e s sd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n dd e c r e a s eo f s t r a i nr a t e.T h e s t r e s s i n d e xna n da p p a r e n t a c t i v a t i o ne n e r g yQu n d e rd i f f e r-e n td e f o r m a t i o nc o n d i t i o n sw e r ec a l c u l a t e db yp o w e rr a t ee q u a t i o n,a n dd e f o r m a t i o nm e c h a-n i s m so f t h e a l l o y sw e r e a n a l y z e dc o m b i n e dw i t hm i c r o s t r u c t u r e c h a r a c t e r i z a t i o n.D e f o r m a t i o no f t h ea l l o y su n d e r l o wt e m p e r a t u r ea n dh i g hs t r a i nr a t ew a sd o m i n a t e db yd i s l o c a t i o nc r e e pm e c h a n i s m,w h i l e t h ed e f o r m a t i o nu n d e rh i g ht e m p e r a t u r ea n d l o ws t r a i nr a t ew a s c o n t r o l l e db yb o t hd i s l o c a t i o nc r e e pa n dg r a i nb o u n d a r ys l i d i n gm e c h a n i s m s.K e yw o r d s:h i g hN bc o n t a i n i n gT i A l a l l o y s;h o td e f o r m a t i o nb e h a v i o r s;m i c r o s t r u c t u r e;d e-f o r m a t i o nm e c h a n i s m s*收稿日期:2 0 2 2-1 1-2 3基金项目:中国博士后科学基金项目(2 0 2 1 M 6 9 3 8 5 6);陕西省科技厅自然科学基金项目(2 0 2 2 J M-1 7 9,2 0 2 1 J Q-5 5 1)作者简介:杨 光(1 9 8 7),男,陕西宝鸡人,副教授,博士,研究方向:耐高温金属结构材料变形行为及固态相变DOI:10.19481/ki.issn2096-398x.2023.03.008第3期杨 光等:(2+)双态细晶高铌T i A l合金的热变形行为及其机制0 引言T i A l合金作为一种重要的轻质、耐高温金属结构材料,具有低密度、高比强、高比刚、优异的抗氧化性能和抗蠕变性能等优点,在航空航天和汽车制造领域极具应用前景1-3.但金属间化合物的本征脆性导致T i A l合金热加工性能差,限制了其在实际工程中的应用4,5.相比于传统T i A l合金,型-T i A l合金具有优异的热加工性能6-9.一方面,该合金经过固态相变时会细化组织,从而提高合金的变形协调能力9,1 0.另一方面,由于稳定元素的加入,该合金中含有较多B 2相,在高温下有序的B 2相转变为无序的相,可以提供大量独立滑移体系7,1 1.并且B 2相具有开放的体心立方结构,其原子堆积密度低于2和相,导致原子在B 2相中扩散速度快,大大提高了合金的高温变形能力1 2.由于片 层 组 织 的 性 能 具 有 明 显 的 各 向 异性,硬取向的片层结构变形抗力较大.大量研究致力于消除片层结构,获得(2+)双态组织或(2+B 2)三相 组 织,以 进 一 步 提 高T i A l合金的热加工性能1 3-1 5.例如,C h e n g等1 3通过对T i-4 2 A l-8.5 V(a t.%)合金调质处理使马氏体板条分解,获得了亚 微米级(B 2+)组织,该 组织在8 5 0 10 0 0 变形时表现出近超塑性.N i u等1 5发现T i-4 5 A l-6 N b-1M o合金经热挤压和后续退 火 分 解 为(2+B 2)三 相 组 织,在9 5 0 变形时产生超塑性.由此 可 见,型-T i A l合 金 中 均 匀 细 小 的(2+)双态组织和(2+B 2)三相组织可获得良好的热加工性能.在本项目之前的工作1 6中,通过亚稳全B 2相的分解,在T i-4 0 A l-8 N b合金中获得了一种均匀的(2+)双态细晶组织,作者认为该组织应该具有较强的热变形能力.鉴于此,通过热压缩实验研究了该组织的热变形行为,并采用电子背散射衍射(E B S D)技术对其变形机制进行了详细分析.1 实验部分1.1 实验材料实验中使用的T i-4 0 A l-8 N b合金采用冷坩埚感应熔炼方法制备,其实际化学成分如表1所示.为了消除合金中的疏松、缩孔并使其成分均匀化,将T i-4 0 A l-8 N b合金铸锭在11 8 0、1 5 0MP a热等静压4h.表1 T i-4 0 A l-8 N b合金实际成分(原子%)T iA lN bONb a l a n c e3 9.5 17.8 94 6 0p p m8 0p p m1.2 实验过程采用线切割从热等静压后的铸锭切下81 2mm圆柱形试样,并对其进行热处理.具体热处理过程为:在氩气保护条件下,快速将合金试样升温至14 0 0保温5m i n,淬火至室温.然后在10 0 0下回火1 0 0h,水淬,获得一种(2+)双态细晶组织,将热处理后的试样称之为“初始试样”.之后,将初始试样在G l e e b l e-1 5 0 0 D热模拟试验机上进行热压缩实验,首先以1 0/s的速率将温度分别升至9 0 0、9 5 0、10 0 0、10 5 0并保温3m i n,然后分别以0.0 2s-1、0.0 0 2s-1、0.0 0 2s-1的应变速率压缩至变形量分别为1 0%、3 0%和5 0%,结束后立即对变形试样进行水淬处理.由于热压缩参数较多,将变形试样标记为“Dx-y-z”,其中“x”代表“变形温度”;“y”代表“应变速率”;“z”代表“变形量”.1.3 组织表征采用线切割将变形试样沿压缩方向纵剖为两半,然后对切削表面进行标准机械抛光和电解抛光,抛光液为6 5%乙醇+3 0%正丁醇+5%高氯酸.利用X射线衍射仪(X R D,D X-2 7 0 0)测定样品的相组成;通过扫描电镜(S EM,Z e i s s-S I GMA 5 0 0)背散射电子成像模式(B S E)观察样品的显微组织,并利用其自带的E B S D探头对组织特征进行分析,步长为0.0 5m,获得的E B S D数据采用HK L-C h a n n e l 5软件进行处理.2 结果与讨论2.1 初始组织图1为初始试样显微组织.从B S E图和X R D图可以看出,该组织是一种典型的(2+)双态组织,由等轴均匀的2相、相和少量B 2相组成,平均晶粒尺寸为6m.由于A l和N b元素不均匀分布,2相、相和B 2相在B S E图上分别呈现为灰