TC18 鈦合金是一種β 穩定係數Kβ為1.2 的高強度近β 鈦合（hé）金， 名義成分為Ti-5Al-5Mo-5V-Cr-1Fe。合（hé）金具有高強（qiáng）度、高塑性、淬透性好、可焊性好等優（yōu）點（diǎn）， 因（yīn）而廣泛應用於飛機的承力結構件（jiàn）。用TC18 鈦（tài）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[1-2]，這（zhè）些承力件主要通過（guò）模鍛和（hé）等溫鍛（duàn）造經多道次（cì）加工而（ér）成，高溫下每道次（cì）的變形（xíng）規律均有所差異，因此研究TC18 鈦（tài）合金在高溫下變形的組織演變規律極為重（chóng）要。

      通過熱壓縮模擬試驗建立合（hé）金熱變形加（jiā）工（gōng）圖，可以對合金（jīn）在不同變形（xíng）條件下的變形機製進行有效的分析[3]。不（bú）少學者利用（yòng）加工圖對鈦合金高溫變形組織演變規律進（jìn）行（háng）了研究：ZhuYanchun 等[4]利用加工（gōng）圖對TC21 鈦合金在β 單相區變形溫度下的變形行（háng）為進行了研究（jiū），結果表（biǎo）明，合金在高溫低變（biàn）形速率條件下，變形發（fā）生了連續再結晶；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的變形機製（zhì）主要為α 相的球化； 王蕊寧等[6]研究了Ti53311S 鈦（tài）合金的熱變形行為並建立合金加工圖， 總結出該合金變形機製主要為動態回複與動態再（zài）結晶（jīng）， 而合金熱加工溫度宜控製在相變點以下。目前對（duì）於TC18 鈦合（hé）金加工工藝的研究較少[7-8]，尚未見到利用加工圖的方（fāng）法來研究TC18 鈦合金熱變形行為的文獻。本文利用真應力-應變數據建立加工圖並結合顯微（wēi）組織分析， 研究TC18 鈦合金熱變（biàn）形特性，力圖揭示合金在不同變形條件下顯微組織演變規（guī）律，為（wéi）優化工藝、防止加（jiā）工過程缺陷形（xíng）成和改善變形合金性能提供試驗（yàn）與理（lǐ）論依據。

      1 試驗

      試驗原材料為熱軋態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℃。沿棒材軸向截取準8mm×12 mm 的圓柱形試樣， 兩端開準（zhǔn）7 mm×0.2mm 的凹槽（cáo）， 填充機油攪拌的玻璃粉以減少摩（mó）擦。在（zài）Gleeble-1500 熱模擬試驗機上進行恒溫恒應變速率熱壓縮試驗。變（biàn）形溫度（dù）分別為700、750、800、850、900、950℃； 應變速率分別為0.001、0.01、0.1 、1.0、10s-1；試驗過程中的總變（biàn）形量為50%，相應（yīng）真應變約為（wéi）0.7。壓（yā）縮前試（shì）樣的升溫時間（jiān）為（wéi）3min，保溫5min，高溫變形結束（shù）立刻水淬以保留變形（xíng）組織。變（biàn）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（shí）後用於金相組織觀察， 樣（yàng）品腐（fǔ）蝕劑為kroll 試劑： HF∶HNO3 ∶H2O=1∶2∶50； 在另一部（bù）分樣品取厚度為0.5mm 薄片，利用金（jīn）相砂紙打磨（mó）使（shǐ）薄片厚度小於60μm，再（zài）利用離子減薄儀製備透（tòu）射電鏡樣品。使用LeicaDMILMHC 金相顯微鏡觀察合金的顯微組織變化，電子顯微分析在TecnaiG220 透射電鏡（jìng）上進行。

      2 結果（guǒ）分析

      2.1 TC18鈦合金變形前顯微（wēi）組織

      合金原始顯微（wēi）組織為等軸（zhóu）α 相和β 相(圖1(a))，晶粒尺寸細小，約為6～10 μm。對合金進行電鏡觀察發現合金中α 相具有兩（liǎng）種形貌：等軸狀與針狀(圖1(b)、(c))。由於合金經過（guò）熱軋，合（hé）金晶內與晶界已積累大量位錯。

      2.2 TC18 鈦合金流（liú）動真應力-真應變曲線

      TC18 鈦合金在不同溫（wēn）度和應變（biàn）速率下的真應力-真應變曲（qǔ）線如圖2 所示（shì）。圖2(a)是TC18 鈦合金在β 相變點溫度以下(800℃)不同應變速率條件下變形（xíng）的（de）真應力-真（zhēn）應變曲線。從圖中可看出，變形開（kāi）始時，真應變還未達到0.2 時，應力（lì）已達（dá）到最大值（zhí），而後隨著變形程度的增加，應力逐漸下（xià）降，並且應變速率越（yuè）高，合金軟化現象越明顯。發生（shēng）軟（ruǎn）化的原因可能是鈦合金（jīn）熱（rè）傳導係數較低， 樣品在熱加工時發生了局部溫升（shēng）。圖2 (b) 是合金在β 相變點溫度以上 (900℃)不同（tóng）應變速率條件下變形的真應力-真應變曲線。應力隨應變迅速增加達到峰值應力，流變應力曲線出現（xiàn）不連續屈服現象。不連續（xù）屈服現（xiàn）象是指流

      變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（tài）合金熱加工中都出現了這種變形行為[9]。不連續屈服現象（xiàng）主要與熱（rè）變（biàn）形（xíng）時晶界位錯源上迅速（sù）增加的可動位錯有關， 導（dǎo）致熱變形由晶界向（xiàng）晶內進行[9]。圖2(c)為應變速率為0.001s-1 不同溫度下的真（zhēn）應力-真應變曲線，從圖中可知，隨變（biàn）形溫度升高，相同應變下（xià）的峰值應力呈現下降趨勢，而且變形溫度在單相區的峰值應力明顯小（xiǎo）於合（hé）金（jīn）在（zài）兩相區變形的峰值應力。這是因為合金在850℃以上變形時發生了(α+β)→β 的相轉變，體心立方結構的β 相可開動的滑移係（xì）增多，使（shǐ）得變形抗力（lì）下降（jiàng）。

      TC18 鈦合金變形機製（zhì）不能隻依賴真應力-真應變曲線特（tè）征來判斷， 因為合金熱變形中（zhōng）相近的流變（biàn）行為可能會導致合金顯微組織產生不同的變化[10]。具有穩（wěn）態的應力應變曲（qǔ）線（xiàn）的合金（jīn）在熱變形過程中，可（kě）能是（shì）發生了動態（tài）回（huí）複（fù）或者（zhě）超塑性變形； 合金應（yīng）力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了動態再結晶、球化或（huò）變形過程中出現了絕（jué）熱溫升[11]。因此，結合（hé）加工圖以及合金變形後顯微組織進行分析，可以客觀地認識TC18 合金的變形機製。

      2.3 TC18 鈦合金的加工圖

      Prasad 等[12-14]對加工圖（tú）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（fèn）是通過塑性變（biàn）形以熱量形式耗散， 另一部分則是由顯（xiǎn）微組（zǔ）織變化引起的功率（lǜ）消（xiāo）耗（hào），可以表示（shì）為：

      式中（zhōng）：σ 為變形應力；ε觶為變形速率；G 為塑性（xìng）變形消耗的功率；J 為與組織變化有關（guān）的功率消耗。G 與J變化率可以用應變速率敏感係數m 來表示（shì）。

      功率耗散圖表示材料通過微觀組織變化耗散能量的模式（shì）。微觀組織變化的（de）速（sù）率由常數η 來表示:

      式中：η 為功率耗散率因（yīn）子。根據大應變塑性變形的極大值（zhí）原理，得出材料（liào）發生流動失穩的判據為：

      參數m 作為變形溫度和應變速率的函數，利用樣條（tiáo）函數擬合出不同變形條件下的m 值（zhí）， 代入公式(3)，由此可（kě）以構建出功率耗散圖。同樣利用樣條函數擬合的方法通過公式(4)得（dé）到不同變（biàn）形條件的（de）ξ(ε觶（zhì）) 的表達，在（zài）功率（lǜ）耗散圖上標出ξ(ε觶（zhì）) 為負值的區（qū）域稱為流變失穩區域，該圖稱為流變失穩圖，重疊到功率耗散圖上就構成了（le）加工圖。加工圖上局部極值（zhí）區域表（biǎo）示合金在該條（tiáo）件下變形（xíng）時具有不同的變形機製。

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

      (1) 加工安全（quán）區分析（xī）

      從圖3 上可以看出，T=700～850℃，ε觶<0.01s-1 區（qū）域，功率耗散係數η 為34%～50%，此為峰區1。通常認為（wéi）耗散係數（shù）高於40%，合（hé）金發生了動態（tài）再結晶 [15]。合金（jīn）在兩相（xiàng）區溫度應變速率為（wéi）0.001s-1 條件下變形後顯微組織見圖（tú）4。從圖4(a)中可以觀察（chá）到，與熱軋態TC18 鈦合金組織（zhī）不同(圖1(c))，合（hé）金細針（zhēn）狀α相變形後明顯彎折，隨著變形溫度升高，針（zhēn）狀α 相逐漸（jiàn）橢球化(圖4(b)、(c))，變形溫度（dù）升高（gāo）至800℃時，合金組織中沒有觀察到針狀α 相。Parassad[15]研究認為（wéi）α 相球化也是一種（zhǒng）再結（jié）晶（jīng），文獻（xiàn）[16]表示針狀α 相流變應力高於等軸α 相，這與合金兩相區（qū）溫度變形時流變應力變化趨（qū）勢相符。

      合金（jīn）在兩相區溫度， ε觶>1 s-1 條件下變形，加工圖對應的耗散係數為14%～30%。合金在此區域條件下變形後組織（zhī）見圖5。研（yán）究表明（míng），呈等軸狀的α 相比β 相硬[16]，因此合（hé）金在變形過程中等軸α 相的變形程度比β 相小， 變形易集中到等（děng）軸α 相周圍的β相，從而使β 相（xiàng）中出（chū）現亞晶(圖（tú）5(a))。當變（biàn）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，合金（jīn）開始發生動態再結晶(圖5(b))，此時功率（lǜ）耗散係數為34%。鈦合金中（zhōng）的等軸α 相在兩相（xiàng）區溫度熱變形時（shí）比（bǐ）較穩定， 即使變形溫度升高到β 相變（biàn）點附近時，合金組織中依（yī）然（rán）存在少量等軸α 相(圖5(b))，此區為可加工區。

      合（hé）金在β 單相區溫度， ε觶>1 s-1 條件下變形（xíng）後顯（xiǎn）微（wēi）組織見圖6， 加工圖對（duì）應的功（gōng）率耗散係數為30%～50%， 此（cǐ）區域為峰區2。合金在900℃與950℃溫度下變形後組織中都觀察到了再結晶晶粒。在較高倍數下對合金在900℃/10s-1 變形後組織進行觀察，細小的（de）再結晶（jīng）顆粒分布在變形（xíng）的β 晶粒的晶界處(圖6(b))，為典（diǎn）型的動態再結晶組織。在（zài）經典動態再結晶理論中， 當合金變形引起的位錯增加速率比發（fā）生動態回複引起的（de）位（wèi）錯消耗速率（lǜ）大時，位

      錯密度將持續（xù）增加到足夠發（fā）生再（zài）結晶的程度，再結晶（jīng）晶粒會在合金（jīn）原始晶界處（chù）形成， 隨著變形的進行（háng），再結晶晶粒數量增加，引起變形應力下降，直到合（hé）金發生完（wán）全的再（zài）結晶（jīng），應力才基（jī）本保（bǎo）持穩定[17]。由此得知， T=850～950℃，ε觶>1s-1 時為加工安全區。

      合金在β 單相區溫度， ε觶<0.01 s-1 條件下變形時，加工圖上功率耗（hào）散係數為22%～28%。本文研究的合金初始狀態為（wéi）熱軋態， 之前（qián）的變形過程中已產生了大量位錯，當溫度升到足夠高時，TC18 為近β 合金（jīn），層錯能（néng）較高，易發生動態回複，因此先在晶界回複形核，而後發生再結晶[16]，在此範圍條件下由於變形速率小（xiǎo），加熱時間長，容易（yì）發生晶（jīng）粒（lì）長大。在隨後的變（biàn）形過程中， 晶粒再次承受變形發生二次再結晶，因而晶界呈現出鋸齒狀（zhuàng）特征(圖7)。但此條件下晶粒尺寸不均，為10～200μm，部分晶粒粗大，對後續變形不利，但仍（réng）屬於可加工區（qū）。

      (2) 加工失穩區分析

      合金熱加工圖所示失穩區為（wéi）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形時，組織中存在大量等（děng）軸α 相，等軸α相作（zuò）為硬質顆粒（lì）釘紮在β 基體上，位（wèi）錯易在晶界與相界塞積。由於變形時間短（duǎn），β 相（xiàng）的回複（fù）與再結晶無法（fǎ）充分進（jìn）行， 使得二者造成的軟化要小於加工硬化的作用，因而失穩易（yì）發生在此區域。圖8 為合金在兩相（xiàng）區較低溫度(T=700℃，750℃)應變速率為1s-1 金相顯微組織。

      合金組織中可以觀察到明（míng）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（biàn）形過程中晶粒在剪（jiǎn）切力（lì）和壓（yā）力共同作（zuò）用（yòng）下形成的絕熱剪（jiǎn）切帶，是由多個再結晶等軸（zhóu）晶粒（lì）通過旋轉方式（shì）合並而成[18]，可能是由於絕熱溫升和較低熱導率引起的。這與SeshaeharyuluT[19]對Ti-6Al-4V 合（hé）金的研究基本一致。

      3 結論

      (1) TC18 鈦合金在兩相區溫度下（xià）變形曲線軟化特（tè）征明顯（xiǎn）， 合（hé）金在（zài）低溫高應變速率條件下變形過程中出現了絕熱溫升， 單相區溫（wēn）度（dù）變形出現不連續屈服現（xiàn）象，應力變（biàn）化（huà）易受溫度影（yǐng）響。

      (2) 合金在變形溫（wēn）度（dù）700～850℃， ε觶<0.01 s-1 條（tiáo）件下變形，合金主要發生了（le）α 相的球化，耗散係數為34%～50%； 而在850～950℃， ε觶>1 s-1 條件下變形，合金發生了β 相的（de）動態再結晶，對應的（de）耗散（sàn）係數為30%～50%，這（zhè）兩個區域為（wéi）適宜加工範圍。

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