基于DMM加工图的Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V合金热塑性变形参数优化识别.doc

基于DMM加工图的Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V合金热塑性变形参数优化识别权国政，王 阳，张艳伟，王熠昕，周 杰( 重庆大学 材料科学与工程学院，重庆400044 )摘要：通过Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V（TA15）合金多组试样热物理模拟压缩实验获得温度10731323K、应变速率0.0110s-1下的真实应力-应变数据，以此作为计算应变速率敏感指数、功率耗散系数、失稳判据三重指标的底层材料模型。以一组3D曲面形式揭示了应力、应变速率、温度、应变量的共同作用诱导的多种变形机制的转化及同时存在所引起的应变速率敏感系数的剧烈响应，并通过值的正负初步识别变形稳定区和失稳区。进一步绘制能量耗散图并识别出值为负的不稳定变形区，以及值为正的稳态变形区。在此基础上最后通过失稳判据分布图识别出的稳定变形区、的失稳变形区。最后将不同应变下的功率耗散图和失稳图叠加以构造最终所需的含应变影响的系列加工图。综合识别后，具有较高值水平、较高值水平、较高值水平的稳定变形参数区间为优先推荐，具有负值水平、负值水平、负值水平的失稳变形参数区间为避免推荐。关键词： 钛合金；热压缩；动态材料模型；应变速率敏感指数；加工图； 中图分类号：TG146.4 文献标识码：A1 引 言TA15合金（Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V）是一种高铝当量的近型中强度钛合金，具有较高的比强度抗蠕变性和耐腐蚀性以及良好的焊接性能，在航空、航天等领域广泛的应用于制造温度较高，受力较复杂的重要结构件，如飞机框型构架、隔板及壁板、航空发动机压气机盘、叶片和鼓筒等1。目前飞机上使用的TA15合金构件的锻造工艺主要为+锻，加热温度为950980，终锻温度850，可锻温度区间非常狭窄仅为100130。这种对变形参数的敏感与苛刻，导致可变形区间狭窄，因此，对材料可加工性的预先评估及变形参数的合理设计成为确保锻造成形有效开展的重要保证。在热塑性成形过程中，变形温度、应变速率、基金项目：科技部国家重大专项项目(G09003.8-3)，中央高校基本科研业务费资助基金(CDJXS11131147)。收稿日期： 通讯作者：权国政作者简介：权国政（1980-），男，河南南阳人，重庆大学副教授，力学和航空工程双博士后，主要从事材料变形行为及跨尺度分析研究。变形程度等均对材料的宏观应力分布与微观组织演变具有深刻影响，而宏、介、微、纳多尺度的各种演变均蕴含着紧密的耦合，因此，借助于宏观的应力-应变数据计算材料的多尺度下流变的稳态与失稳区间便成为可能。可加工性是表征材料体积成形能力的一个重要指标，主要包括两方面：一是与加工工艺、模具、摩擦状态以及变形区域几何尺寸等外部条件有关的应力状态可加工性；另一种是与相应变形条件（温度、应变量、应变速率）下材料的微观组织动态演变有关，且对材料的初始状态非常敏感的内禀可加工性2-5。基于动态材料模型(Dynamic Materials Model，DMM)的加工图技术是被广泛应用于表征材料的内禀可加工性能和设计材料的热加工工艺参数的重要依据6。根据热加工图可以分析材料在不同温度和应变速率下的流变稳态区与失稳区，以及不同变形区间所隐含的变形机制，从而达到控制材料组织演变，避免产生缺陷和优化材料加工工艺的目的7-9。同时根据热加工图中稳定区域的最大功率耗散因子与此区域条件下的微观组织来制定材料的最佳加工工艺，对优化材料的热加工工艺参数、改善材料的加工性、控制组织及避免缺陷的产生具有重要指导作用。2 基于DMM的热加工图理论Prasad认为金属塑性变形的实质是能量不断储存和耗散的过程，变形工件则是一个非线性能量耗散体，所建立的动态材料模型（DMM）可有效描述在高应变水平下含微观组织演变的变形行为10-14。Prasad认为外力输入的能量主要表现在如下两个方面：一个是塑性变形，大部分转为热量，也有小部分储存在材料中；另一个是显微组织转变，如相变、回复、再结晶等。由此将瞬态耗散能量（P）分解为两个部分：变形转化为热量的能量（G）和引起微观机制转变的能量（J），可描述为式（1）。 (1)式中：为真实应力；为应变速率。当应变量和温度都固定时，应力可表示为： (2)式中：K为应力系数；m为应变速率敏感指数即分配能量G和J的系数，可表示为式（3）。 (3) 为求解引起微观组织演变的能量J，将式（1）、（2）、（3）联立可求得式（4）。当m=1即处于纯线性耗散时，J将取得最大值。而处于非线性耗散时，能量耗散率可表示为式（5）。值越大，组织演变耗散的能量所占比例越大，即组织形态变化越大；值为负意味着组织转变出现失稳15,16。值随变形条件的变化构成能量耗散图。 (4) (5)Kumar在应变速率敏感指数、能量耗散图的基础之上，基于Zeigler的最大熵产率原理提出材料高温变形流变失稳判据（式（6），其物理意义是系统产生熵的速率应与外加熵的速率相匹配，否则系统将发生流动失稳。从而将变形失稳区与非失稳区的识别精度推向了新的阶段17-18。 (6)3 试验方法试验材料选用TA15合金铸造棒材，化学成分（质量分数/%）如下：Al6.3%，Mo1.32%，V1.68%，Zr1.9%，Fe0.04%，C0.01%，N0.01%，其余为Ti。考虑到形状效应对单向抗压强度的影响，选取试样的高径比一般小于1.5，因此采用线切割制成10mm12mm的圆柱体试样。在Gleeble-1500热模拟机上进行单向热压缩试验，设计热压缩变形温度为1073K，1123K，1173K，1223K，1273K，1323K，应变速率为0.01s-1、0.1s-1、1s-1、10s-1的24组试验，每组试样总的压缩变形量为60%。以1K/s的加热速率把试样加热至变形温度，保温3min以消除试样内部的温度梯度，之后在压缩变形温度下进行等温变形，结束后立即对试样进行水淬，以保留高温变形组织。为减小摩擦对应力状态的影响，在圆柱体试样两端涂覆润滑剂并加垫石墨片19。热模拟压缩试验采集到TA15合金在不同温度和应变速率下的真应力-真应变曲线，如图1所示。 （a）s-1 （b）s-1 （c）s-1 （d）s-1图1 热物理模拟所得TA15合金不同温度及应变速率下的真应力-真应变曲线Fig.1 True stress-strain curves of TA15 alloy at different strain rates and temperatures4 结果与分析4.1 应变速率敏感指数假设在一定温度和应变速率范围内，与之间具有较强的线性相关性，即可认为该材料符合式(2)所示的DMM假设，而后将这种线性关系进一步衍生为随应变演变的瞬态线性关系。从图2a-d中的点阵可以看出，与之间线性关系显著。进一步采用三次曲线进行拟合以揭示温度和应变速率随着应变的变化情况（如图2a-d所示），对曲线求解不同位置点处的瞬态切矢即可获得在该应变处的m值，基于此绘制出m值对温度、应变、应变速率的响应曲面（如图3a-d所示）。从图3a-d中可以看出，该响应的总体规律并不明显，但其剧烈波动却代表着内部变形机制的剧烈转变。对于TA15合金，当温度低于1023K时，基面滑移是主要变形机制，这种低温高速变形的不均匀性易导致锥面孪生；当温度在1023K1073K时，柱面滑移系启动并超越基面滑移一起成为主要变形机制；当温度大于1073K时，锥面滑移系启动并于柱面滑移一起超越基面滑移而成为主要变形机制。基面滑移是宽泛温度范围内变形的主要机制，属于绝热变形，因此不是引起m值波动的原因。而与此相对的非基面滑移机制如锥面滑移、柱面滑移等则属于变热变形，将引起微观组织转变所需的耗散热量增加，从而诱导m值的增加。除滑移变形机制之外，低温（相对）孪生是长期存在的变形机制，是引起m值降低的主要原因，而当m值下降为负时，在某种程度上意味着微观缺陷（如动态时效、形变孪生、微细裂纹萌生等）出现，这种最初的不稳定变形区的识别结果如表1所示，但这并不意味着负m值可以识别所有的产生微观缺陷的变形条件，还需要进一步结合能量耗散图、失稳判据等进一步加以判别。可以说，图3a-d所示的m值响应规律反映了材料变形和内部组织转变耗散热量的变化，以及滑移与挛晶两大变形机制的动态平衡。(a) (b) (c) (d)图2 不同温度和应变下应力与应变速率在lg尺度下的关系曲线Fig. 2 The relationships between stress and strain rate in lg scale at different temperatures and strains(a) (b) (c) (d)图不同应变量下应变速率敏感系数m对温度及应变速率的3D响应曲面Fig.3 The response 3D surface of strain rate sensitivity m-value on temperature and strain under different strains4.2功率耗散系数 以公式（4）计算得到的功率耗散系数值为依据，绘制出值在不同的应变量、温度、应变速率下的等值曲线，其分布如图4ad。参数的水平代表热加工变形过程中的显微组织变化率，从功率耗散图中可直接分析不同区域的变形机制，值由高到低分别代表了动态再结晶、动态回复、不稳定（孪晶、开裂等）等20，但例外的是高温下的楔形开裂同样会导致值升高。图4ad中曲线的值表示值，黑色区域表示值为负即组织转变不稳定区域，从中看出：参数的水平大体随着应变的增加而变化，而高低起伏分布的趋势相似。当温度处于11501200K及应变速率0.11s-1时，值在任何应变量下都处于较高水平，但是由于高温楔形开裂的可能存在而导致：值较高的区域并不一定为加工安全区，需要进一步结合失稳判据分析确定。 (a) (b)(c) (d)图4 TA15合金在不同应变条件下的功率耗散图Fig.4 The power dissipation map for the TA15 alloy under the different ture strain4.3失稳判据以公式（5）计算得到的失稳判据为依据，在成形温度和所构成的平面绘制出不同应变下等高线图即为失稳图（如图5ad所示），图中灰色区即为负的区域表示流变失稳区，其余为安全区。纵观不同应变下失稳图的演变可发现：随着应变的增加，流变失稳区的总面积出现先减少后增加的趋势，且流变失稳区主要集中在低温低应变速率区。在稳定区内，由动态再结晶所导致的微观组织结构的改变降低了应变的积累和空位、楔形裂纹及剪切带的形成，从而有效抑制了不稳定因素的发生。通过三个指标的计算过程可知：值对温度、应变速率及应变的响应正是造成值和值变化的重要驱动。较低的值意味着变形具有较少的滑移系和孪晶变形机制的存在，这些均是导致失稳的主要原因。但由于动态转变的复杂性和多种变形机制的同时存在，使得较高的值并不一定是安全的，需要借助值和值进一步判别。(a) (b)(c) (d)图5 TA15合金在不同应变条件下的失稳图Fig.5 The instability maps for the TA15 alloy under the different ture strain4.4热加工图采用、和三项指标逐步进行更加苛刻的判别，分别识别出代表不同变形机制的失稳及稳态变形区间，但这并不能作为加工图直接指导实际应用。事实上具有较高功率耗散的稳态变形区间才是值得推荐的，因此需要进一步将功率耗散图和失稳图叠加以构造最终所需的加工图，所获得的铸态TA15合金在不同应变条件下的热加工图如图6ad所示。图中的等值线值是功率耗散值，阴影部分表示非稳定变形区域，且图中因为通过值和值识别的失稳区不完全重叠，须同时考虑两者识别的失稳区域，所以图中的灰色也有深浅。这种经历、和三重识别出的失稳区域涵盖了热加工过程的绝大部分微观组织演变缺陷，在设计热加工变形工艺参数时需要尽量避免此类区域。图6ad可以看出，流变失稳区的总面积随着应变的增加出现先减少后增加的趋势，图6d中便是由于应变过大，致使流变裂纹出现的风险增加而致失稳区域面积进一步增加。安全区域主要集中在中温低应变速率区（如变形温度1150K1250K，应变速率为0.05s-10.31s-1）和低温高应变速率区（如变形温度小于1125K，应变速率为1s-110s-1），这是因为低应变速率区的功率耗散系数着变形温度的升高而升高，低温区的功率耗散系数随着应变速率的增加先减少而后增加，且功率耗散系数的峰值也出现在这个区域，说明在此区域组织演变剧烈，安全区的组织演变机制主要是动态回复或动态再结晶。综上，在设计TA15合金的各种热变形工艺时，可以优先选择变形温度1150K1250K、应变速率0.05s-10.31s-1。(a) (b)(c) (d)图6 TA15合金在不同应变条件下的热加工图Fig. 6 The processing maps for the TA15 alloy under the different true strain5 结论（1）基于热模拟压缩实验，得到TA15合金在不同变形温度和不同应变速率的真实应力应变曲线，并以此为底层数据计算值，结果表明：值的剧烈响应与温度、应变速率、应变量有关。（2）通过值的3D曲面可以初步识别变形稳定区和失稳区；分析功率耗散图识别出值为负即不稳定变形区，且流变失稳区完全包容了通过m值识别的失稳变形区；分析失稳图通过识别的流变失稳区包容了部分m值和值识别的失稳变形区。（3）加工图由能量耗散图和失稳图叠加得到。根据加工图可以确定加工的安全区和流变失稳区。在材料的安全加工区，越大，表明材料内在可加工性越好。TA15合金的最佳变形工艺参数为变形温度为1150K1250K、应变速率为0.05s-10.31s-1。 参考文献：1占家军. 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