基于摩擦修正的新型β钛合金热变形行为与加工图研究

摘要

β钛合金因其良好的冷加工、冷热成型性以及热处理后优良的强度、塑性匹配，受到国内外学者的广泛关注。研究新型β钛合金的热变形行为及其热加工图，对于指导同类合金热加工工艺设计以及产品组织性能优化具有重要意义。
　　本文通过对一种自主研发的新型β钛合金进行热模拟压缩实验，根据摩擦修正后的流变应力曲线，研究合金的热变形行为，建立了不同真应变下的Arrhenius型本构方程，绘制了合金的热加工图，并结合组织性能分析，优化出了该新型合金的最佳热变形工艺参数。
　　通过对流变应力曲线进行摩擦修正，并结合材料参数关于真应变的多项式拟合关系，建立了合金在不同真应变下的本构方程。真应变0.3时应力水平参数α=0.017737、应力指数n=1.9651、热变形激活能Q=175.8228 kJ/mol、结构因子A=0.75×106 s-1。不同真应变条件下的热变形激活能平均约为174.48 kJ/mol，远大于纯钛β相的自扩散激活能，合金发生动态回复的同时也可能会有动态再结晶现象出现。本文所建立的基于部分摩擦修正的应变相关本构方程具有较高精度，流变应力预测值与其试验值的平均相对误差绝对值仅为6.598％；而不考虑摩擦修正和等效应变时达到8.633%。
　　利用金相显微镜和数显显微维氏硬度计，分析了合金在不同热变形参数条件下的组织演变和性能变化。结果表明，变形温度的升高可促进材料再结晶程度及晶粒尺寸的增大，700℃时的平均晶粒尺寸为8μm，1150℃时增至44μm；而合金显微硬度先升后降，900℃时达到峰值(287.4 HV)。通过增大应变速率可达到细化晶粒的效果，平均晶粒尺寸由174μm(0.001 s-1)降至76μm(1 s-1)；合金显微硬度也逐渐增大，在??=1 s-1时达到289.5 HV。随变形程度由30%增至60%，同样可细化晶粒，平均晶粒尺寸由129μm降至44μm；合金显微硬度逐渐增大至318.2 HV。
　　根据热加工图理论，绘制了合金在不同真应变条件下基于Prasad判据的热加工图，确定了流变失稳区及其安全加工区。研究发现，该合金在整个加工过程的失稳区参数为：变形温度700~1110℃、应变速率0.05~1 s-1，材料在此区域变形将可能出现塑性失稳，形成绝热剪切带；而公共安全区中包括三个功率耗散效率?的局部极大值区域。结合组织性能分析确定，本实验条件下，该新型β钛合金的最佳热变形参数为：T=900℃、ε=0.01 s-1。