TC18 鈦合金是一種β 穩定係數Kβ為1.2 的高強度近β 鈦合金， 名義成分為Ti-5Al-5Mo-5V-Cr-1Fe。合金具有高強度、高塑性、淬透性好、可焊（hàn）性好等優點， 因而廣泛應用於飛機的承力結構件。用TC18 鈦合金製造的承力零件，在350℃～400℃可長時間工作， 在750℃～800℃下（xià）可短時間工作（zuò）[1-2]，這些（xiē）承力件主要通過模鍛和等溫鍛造經多道次加工而成，高溫（wēn）下每（měi）道次的變形規律均有所差異，因此研究TC18 鈦合金在（zài）高溫下變（biàn）形的組（zǔ）織演變規律極為重要。

      通過熱壓縮模擬試驗建立合金熱變形加工圖，可以對合金在不同變形條件下的變形機（jī）製進行有效的分析[3]。不少學（xué）者利用加工圖對鈦合金（jīn）高溫變形（xíng）組織演變規律進行了研究：ZhuYanchun 等（děng）[4]利用加工圖對TC21 鈦合金在β 單相區變（biàn）形（xíng）溫度下的變（biàn）形行為（wéi）進行了研究，結果表明，合金在高溫低變形速率條件下，變形發生了（le）連續再結晶；MaXiong 等[5]基於Murty 原則建立了Ti-22Al-25Nb 的加工圖並分析了該合金的變形行為， 認為合金在兩相區溫度低應變速率下（xià）的變形機製主要為α 相的球化； 王蕊寧等[6]研究了Ti53311S 鈦合金的熱變形行為並建立合金加工圖， 總結（jié）出該合金變形機製主要為動態回複與（yǔ）動（dòng）態再結晶， 而（ér）合金熱加工（gōng）溫度宜控製（zhì）在相變（biàn）點以下。目前對於TC18 鈦合金加工工藝的（de）研究較少[7-8]，尚未見到利用加工圖的方法來研究TC18 鈦合金熱變形（xíng）行為的文獻。本文利用真應力-應變數據建立加工圖並結合顯微組（zǔ）織分析， 研究TC18 鈦合（hé）金熱變（biàn）形特性，力圖揭示合（hé）金在不同變（biàn）形條件（jiàn）下顯微（wēi）組織演變規律，為優化工藝、防止加工過程缺陷形成和改善變形合金（jīn）性能提供試驗（yàn）與理論依（yī）據。

      1 試驗

      試驗原材料為熱軋（zhá）態TC18 鈦合金棒材， 直徑為準16 mm。金相法測得合金相變點約為845℃。沿棒材軸向（xiàng）截取準8mm×12 mm 的圓柱形試樣， 兩端開準7 mm×0.2mm 的凹槽， 填充機油攪拌的玻璃粉以減少摩擦。在Gleeble-1500 熱模擬試驗機上進（jìn）行恒溫恒應變速率熱壓縮試驗。變形（xíng）溫度分別（bié）為700、750、800、850、900、950℃； 應（yīng）變速率分別為（wéi）0.001、0.01、0.1 、1.0、10s-1；試驗（yàn）過程中的總變（biàn）形量為（wéi）50%，相應真應變約為（wéi）0.7。壓縮（suō）前試樣的升溫時間為3min，保溫5min，高溫變形結束立（lì）刻水淬以保留變形組織。變形後的試樣沿軸向中心（xīn）線縱切，一部分利用電木粉鑲嵌，金相砂紙打磨，拋光並腐蝕後用於金（jīn）相組織觀察， 樣品腐蝕劑為kroll 試劑： HF∶HNO3 ∶H2O=1∶2∶50； 在另一部分樣品取厚度（dù）為0.5mm 薄片（piàn），利用（yòng）金相砂紙打磨使薄片厚度小於60μm，再利用離子減薄儀製備透射電鏡樣品。使用LeicaDMILMHC 金相顯微鏡觀察合金的顯微組織變化，電子顯（xiǎn）微分析在TecnaiG220 透射（shè）電鏡上進行。

      2 結果分析

      2.1 TC18鈦（tài）合金變形前顯微組織

      合金原始顯（xiǎn）微組織為等軸α 相（xiàng）和β 相（xiàng）(圖1(a))，晶粒尺（chǐ）寸細小，約為6～10 μm。對合金進行電（diàn）鏡觀察發現合金中α 相具（jù）有兩種形貌：等軸狀與針狀(圖1(b)、(c))。由於合金經過熱軋，合金晶內與晶界已積累大量位錯。

      2.2 TC18 鈦合金流動真應力-真應變曲線

      TC18 鈦合金在不同溫度（dù）和應變速率（lǜ）下的真應力（lì）-真應變（biàn）曲線如圖2 所示。圖2(a)是TC18 鈦合金在β 相變點溫度以下(800℃)不（bú）同應變速率條件（jiàn）下變形的真應（yīng）力（lì）-真應變曲線。從圖中可看出，變形開始時，真應變還未達到0.2 時，應力已達到（dào）最大值，而後隨著變形程度的增加，應力逐（zhú）漸下降，並且應變速率越（yuè）高，合金軟化（huà）現象越明顯（xiǎn）。發生軟化（huà）的原因可能是鈦合金熱傳導係數較低， 樣品在熱加工時（shí）發生了局部溫升。圖2 (b) 是合金（jīn）在（zài）β 相變點溫度以上 (900℃)不同應（yīng）變（biàn）速率條（tiáo）件下變形的真應力-真應變曲線。應力隨（suí）應變迅速增加達到峰值應力，流變（biàn）應力曲線出現不連續屈服現象。不連續屈服現象是指流（liú）

      變（biàn）應力曲線達到峰值後急劇下降,出現尖銳的峰值，在很多β 鈦合金熱加工中都出現了這種變形行為[9]。不連續屈服現象主要與熱變形時晶界位（wèi）錯源上迅速增加（jiā）的可動位錯有關， 導致熱變形由（yóu）晶界向晶內進行[9]。圖2(c)為應變速率為0.001s-1 不同溫度下的真應力-真應變曲線，從圖中可（kě）知，隨變形溫度升高，相同應變下的峰值應力（lì）呈現下降趨勢，而且變形溫度在單相區的峰值應力明（míng）顯小於合（hé）金在兩相（xiàng）區變（biàn）形的峰值應（yīng）力。這是因（yīn）為（wéi）合金在（zài）850℃以上變形時發生了(α+β)→β 的（de）相轉（zhuǎn）變，體心立方結構的β 相可開動的滑移係增多，使得變形抗力下降。

      TC18 鈦合金變形機製不能隻依賴真應力-真應變曲線特征來判斷， 因為合金熱變形中相近的流變行為可能會（huì）導致（zhì）合金顯微組織（zhī）產生不同（tóng）的變化[10]。具有穩態的應力應變曲線的（de）合金在熱變形過程中，可能是發生了動態回複或者超（chāo）塑性變形（xíng）； 合金應力（lì）應變曲線出現軟化特征則表示合金在變形過程中可能發生（shēng）了動態再結晶、球化或變形過程中出現了（le）絕熱溫升[11]。因此，結合加工圖以及合金變（biàn）形後顯微組織進行分析，可以客觀地認識TC18 合（hé）金的變形機製。

      2.3 TC18 鈦合金的加工（gōng）圖

      Prasad 等[12-14]對加工圖進行了分析與總結：合金在熱變形過程中具有耗散性， 合金熱變形吸收的功（gōng）一部分是通過塑性變形以熱量形式耗（hào）散， 另一部分則（zé）是由顯微組織變化引起的功率（lǜ）消耗（hào），可以表示為：

      式中：σ 為變形應力；ε觶為變形速率；G 為塑性變形消耗的（de）功率；J 為與組織變化有（yǒu）關的（de）功率消耗。G 與J變（biàn）化率可以用應變速率敏感係（xì）數m 來表示。

      功率耗散圖表（biǎo）示（shì）材（cái）料通過微觀組織變化耗（hào）散能量的模式。微觀（guān）組織變化的速率由常數η 來表示:

      式中：η 為功率（lǜ）耗散率因子。根據大應（yīng）變塑性變形的極大值原理，得出材（cái）料發生流動失穩（wěn）的判據為：

      參數m 作為變形溫度和應變速率的函數，利用樣條函數（shù）擬合出不同變形條件下的m 值， 代入公式(3)，由此可以構建出功率耗（hào）散（sàn）圖。同樣利用樣條函數擬合的（de）方法通過公式(4)得到不同變形條件的ξ(ε觶) 的表達，在功率耗散圖上標出ξ(ε觶) 為負值的區域稱為流變失穩區域，該圖（tú）稱為流（liú）變失穩圖，重疊到（dào）功率耗散圖上就（jiù）構成了加工圖。加工圖上局部極值區域表示合（hé）金在該條件下變形時具有不同的變形機製。

      圖3 為TC18 鈦合金熱加工圖。等高線數值為功率（lǜ）耗散係數，圖中標出的（de）陰影區為變形失穩區。此加工圖存在兩個（gè）峰區(η 最大值區（qū）域)和一個失穩區。

      (1) 加工安全區分析

      從圖3 上可（kě）以看出，T=700～850℃，ε觶<0.01s-1 區域（yù），功率耗散係數η 為34%～50%，此為峰區1。通常認為耗散（sàn）係數高於40%，合金發生了動態再結晶 [15]。合金在兩相區溫度應變速率為0.001s-1 條件下（xià）變形後顯微組織見圖4。從圖4(a)中可以觀察到，與熱軋（zhá）態（tài）TC18 鈦合金組織不同(圖1(c))，合金細針狀α相變（biàn）形後明顯彎折，隨著變形（xíng）溫度升（shēng）高（gāo），針狀α 相逐漸橢球化(圖4(b)、(c))，變形溫度升高至（zhì）800℃時，合金組織中沒有觀察到（dào）針狀α 相。Parassad[15]研究認為α 相球化也是一種（zhǒng）再結晶，文獻[16]表示針狀α 相流變應力高於等軸α 相，這與合（hé）金兩相區溫度變（biàn）形時流變應力變（biàn）化趨勢相符。

      合金（jīn）在兩相（xiàng）區溫度， ε觶>1 s-1 條件下變（biàn）形，加工圖對應的耗散係數為14%～30%。合（hé）金在此區域條件下變形後組織見圖5。研究表明，呈等（děng）軸狀的α 相比（bǐ）β 相硬[16]，因（yīn）此合金在變（biàn）形過程中等軸α 相的變形（xíng）程度比β 相小， 變（biàn）形易集中到等軸（zhóu）α 相周圍的β相，從而使β 相中（zhōng）出現亞晶(圖5(a))。當變形溫度升高到兩相區較高溫度時，變形速率高，再結晶儲能足夠，合（hé）金開始（shǐ）發生動態再結晶(圖5(b))，此時功率耗散係數為34%。鈦合（hé）金（jīn）中的等軸α 相在兩相區溫度熱變形時（shí）比（bǐ）較穩定， 即使變形溫度升高（gāo）到β 相變點附（fù）近時，合金（jīn）組織（zhī）中依然存在少量等軸（zhóu）α 相(圖5(b))，此區為可加工區。

      合金在β 單相區溫度， ε觶>1 s-1 條件下變形後顯微組織見圖6， 加（jiā）工圖對應的功率耗（hào）散係（xì）數為30%～50%， 此區域為峰區2。合金在（zài）900℃與950℃溫（wēn）度（dù）下變形後組織中都觀察（chá）到了再結晶晶（jīng）粒。在較高倍數（shù）下對合金在900℃/10s-1 變（biàn）形後組織進行觀察（chá），細小的再結晶（jīng）顆粒分布（bù）在變形的β 晶粒（lì）的晶界（jiè）處(圖6(b))，為典型的動態再（zài）結晶組織。在經典動（dòng）態再結晶理論中， 當合金變形引（yǐn）起的（de）位錯（cuò）增加速率比發（fā）生動態回（huí）複引起的位（wèi）錯（cuò）消耗速率大（dà）時，位

      錯密度將持續增加到足夠發生再結晶的（de）程（chéng）度，再結晶晶粒會在合（hé）金原始晶界處形（xíng）成（chéng）， 隨著變形的進行（háng），再結晶晶粒數量增加，引起變形（xíng）應力下降，直到合金發生完全（quán）的再結晶，應力才基本保持穩定[17]。由此得知， T=850～950℃，ε觶>1s-1 時（shí）為加工安全區（qū）。

      合金在（zài）β 單相（xiàng）區溫度（dù）， ε觶<0.01 s-1 條件（jiàn）下變形時，加（jiā）工圖上功率耗散係數為22%～28%。本文研究的合金初始狀態為（wéi）熱軋態， 之前的變形過程中已產生了大（dà）量位（wèi）錯，當溫度升到足夠高時，TC18 為（wéi）近β 合金，層錯能較高，易發生動態回複，因此（cǐ）先在晶界回複形核，而後（hòu）發生再結晶[16]，在此範圍條件下由於變形速率（lǜ）小，加熱時間（jiān）長，容易（yì）發生晶粒長大。在隨後的變形過程中， 晶粒再次承（chéng）受變形發生二次再結晶，因而晶界呈現（xiàn）出鋸（jù）齒狀特征(圖7)。但此條件下晶粒尺寸不（bú）均，為10～200μm，部分晶粒粗大，對後續變形不利，但（dàn）仍屬於可加工區。

      (2) 加（jiā）工失（shī）穩區分（fèn）析（xī）

      合金熱加工圖所示失穩區為T=700～750℃， ε觶=0.1～10 s-1 區域。TC18 鈦合金在兩相區較低溫度變（biàn）形時，組織中存在大量等軸α 相，等軸α相作為硬質顆粒釘（dìng）紮在（zài）β 基體上，位錯易在晶界與相界塞積。由於變形時間（jiān）短，β 相的回複與再結晶無法充分進行（háng）， 使得二者造成的軟化要小於加（jiā）工硬化的作用，因而失穩易發生在此區域。圖8 為合金（jīn）在兩（liǎng）相區較（jiào）低溫度(T=700℃，750℃)應變速率為1s-1 金相顯微組織。

      合金組織中可以（yǐ）觀察到明顯的流線組織，部分晶粒被沿流線方向拉長，白色亮條帶是變形過程中晶（jīng）粒在剪切力和壓力共同（tóng）作用下形（xíng）成的絕熱剪（jiǎn）切帶，是由（yóu）多個再結晶等軸晶粒通過（guò）旋轉方式合（hé）並而成[18]，可能是由於（yú）絕熱溫（wēn）升和較低熱導率引起的。這與SeshaeharyuluT[19]對Ti-6Al-4V 合金的（de）研究基本一致。

      3 結論

      (1) TC18 鈦合金在兩相區溫度下變（biàn）形曲線軟（ruǎn）化特征明顯， 合金在低（dī）溫（wēn）高應變速率條（tiáo）件下變形過程中出現了絕熱溫升， 單相區溫（wēn）度變形出現（xiàn）不（bú）連續屈服現象，應力變化易受溫度影響。

      (2) 合金在變（biàn）形溫度700～850℃， ε觶<0.01 s-1 條件下變形，合金主要（yào）發（fā）生了α 相的球化，耗散係數為34%～50%； 而在850～950℃， ε觶>1 s-1 條件下（xià）變形（xíng），合（hé）金發生了（le）β 相的動態再結晶，對應的（de）耗（hào）散（sàn）係數為30%～50%，這兩個區域為適宜加工範圍。

      (3) TC18 鈦合金熱加工失穩區為低溫（wēn）高應變速率（lǜ）區域，對應的變形條件為T=700～750℃， ε觶=0.1～10s-1， 合金在此區域條件（jiàn）下變形後組織出現局部流變帶。