Ti1023鈦合金是20世紀70年代TiＭＥＴ公司針對損傷容限設計需要開發的一種高強高韌近β型鈦合金，其名義成分為Ti-10V-2Fe-3Al［1-3］。該合金具有比強度高、斷裂韌性好、鍛造溫度低、淬透性好和抗應力腐蝕能力強等優點，非常適合制造高強度的結構件，如飛機的橫梁、接頭、滑軌、隔框、起落架和直升機的連接件等零部件［4-6］。Ti1023鈦合金的熱變形主要包含加熱和變形兩個過程。根據傳統的物理冶金理論，鈦合金具有較高的層錯能（純鈦約為0.31J/m2，Ti3Al約為0.208J/m2）［7］，在熱變形過程中易發生位錯的攀移和交滑移，而動態再結晶難以發生。但是，近些年來的研究表明，鈦合金在某些合適的熱變形條件下能夠發生動態再結晶，再結晶機制主要為晶界弓彎形核［8-9］。動態再結晶作為材料熱變形過程的一種重要現象，動態再結晶行為能夠明顯細化變形組織［10-11］，還能夠消除因變形產生的加工硬化，進而改善鈦合金的塑性和可加工性［12-13］。
鈦合金的熱變形過程不是單一變形過程，是加熱和變形的循環過程，如鈦合金鑄錠開坯、改鍛需要十幾個循環的加熱和變形才能徹底改變鑄錠的原始組織，達到改善其力學性能的目的。Ti1023鈦合金鑄錠的鍛造采用高低高溫度的變形工藝，當第一個低溫變形完成后，在下一次變形之前需要在高溫的條件下進行加熱保溫，在保溫過程中，內部的變形組織也會發生再結晶，此過程發生的再結晶被稱為靜態再結晶，如果保溫時間過長，再結晶的晶粒會發生長大，抵消前期通過鍛造獲得的晶粒細化效果，這對于組織細化是非常不利的。因此，在完成第一次相變點以下的變形后，下一次的相變點以上加熱保溫過程希望組織發生再結晶細化晶粒，但不希望再結晶晶粒長大。目前，國內外學者對于再結晶的研究主要集中在熱變形過程中的動態再結晶研究，對于加熱保溫過程發生的靜態再結晶研究較少，但靜態再結晶對整個變形過程的組織細化起到了不容忽視的作用。因此，本文主要對Ti1023鈦合金加熱保溫時變形組織靜態再結晶的形成機制和規律進行研究，該工作對鑄錠開坯改鍛工藝工程化應用提供了重要的指導意義。
1、試驗材料及方法
本試驗所使用的材料是通過三次真空自耗熔煉生產的Ti1023高強韌鈦合金，其名義成分為Ti-10V-2Fe-3Al。試驗合金的原始組織（固溶＋時效態）如圖1所示，為典型的等軸組織，初生α相呈球狀，均勻分布在β基體上。采用金相法測得該鈦合金的相變點為800℃。
采用線切割取尺寸為100mm×100mm×150mm的試塊，150mm方向與軸向保持一致，然后沿150mm方向在兩相區進行70％的鍛造變形，在變形后的試塊上沿著變形方向取?10mm×15mm的試樣若干，試樣在785、800、810、825、840、855、870℃下分別保溫30、60、90、120、180、240和300min，試樣保溫后水淬，保留其高溫狀態下的組織。試樣經打磨、拋光后進行金相腐蝕，腐蝕液的配比（體積比）為HF∶HNO3∶H2O＝1∶2∶7。金相組織觀察與分析在LeicaDMI3000M型臥式金相顯微鏡上完成。統計并分析變形組織靜態再結晶的規律，通過Origin軟件繪制靜態再結晶矩陣圖。
2、試驗結果與分析
2.1 變形組織演變規律
鈦合金鑄錠的晶粒組織粗大，綜合性能很差，無法直接在工程上使用。為改善鈦合金鑄錠的組織和性能，需要將鈦合金鑄錠進行組織細化，常用的細化方式為鍛造變形。Ti1023鈦合金為高強韌型鈦合金，在室溫下變形抗力大，不易變形，因此鈦合金的鍛造變形需要在加熱后完成。鍛造變形過程主要有3個變形區，分別為變形死區、大變形區和自由變形區，如圖2所示。與上、下模具接觸的部分為Ｉ區，該區域金屬變形時與模具產生橫向摩擦，摩擦力阻礙金屬的橫向流動，該區變形量小，屬于變形死區部分，該區組織與原始組織差別不大；心部為Ⅱ區，金屬受壓過程，心部的金屬流動受上、下面工裝約束，所以金屬橫向向外擴展，橫截面面積增大，材料變形量大，有利于組織的細化，該區屬于大變形區部分；外緣部分為Ⅲ區，外緣金屬受到心部金屬的向外擠壓力，橫向向外擴展變形產生鼓肚，變形量介于變形死區和大變形區之間，該區屬于自由變形區部分。
Ti1023鈦合金鑄錠發生大變形后，原始晶粒的晶界α相發生破碎，鑄錠內部組織積累大量的應變能，在后續加熱過程中變形組織發生回復和再結晶，達到細化晶粒的目的。通過高低高不同的加熱溫度，反復鍛造十幾個火次，鈦合金鑄錠組織能夠完全細化，力學性能得到提升，達到制備鍛件的要求。
2.2 靜態再結晶機制與規律
鈦合金鑄錠每次熱變形都是加熱和變形的重復過程，在變形過程中，通過上下面壓力傳導，內部變形組織發生動態再結晶，晶粒得到細化，同時內部變形組織也累積了大量的位錯和高的畸變能，這些累積的位錯和畸變能在鑄錠冷卻下來后并不會消失，而是傳遞到下一鍛造火次中。在后續的鍛造火次進行加熱和保溫時，變形組織內部位錯團和高畸變能部位會優先形成新的晶核，變形組織發生靜態再結晶，組織得到進一步細化。Ti1023鈦合金在800℃以下加熱和保溫時，變形組織以發生回復為主，靜態再結晶為輔，如圖3所示，在加熱溫度為785℃，保溫時間為90min的條件下，畸變能高的位置優先發生靜態再結晶，其余部分發生回復，釋放了剩余的畸變能，大部分組織保留了塑性變形的特征。
Ti1023鈦合金在800℃以上加熱和保溫時，變形組織以發生靜態再結晶為主，回復為輔。在加熱溫度為810℃條件下，合金保溫不同時間的靜態再結晶情況如圖4所示。從圖4（ａ）可以看出，加熱溫度為810℃，保溫時間為30min時，合金變形組織已經完成了靜態再結晶轉變，再結晶后的晶粒尺寸約100μm。隨著保溫時間的延長，再結晶晶粒長大，當保溫時間為120min時，再結晶晶粒尺寸達到200μm，長大約1倍（見圖4（ｄ））。Ti1023鈦合金在保溫時間為90min，不同加熱溫度下的靜態再結晶情況如圖5所示。從圖5（ａ）可以看出，加熱溫度為810℃時，再結晶晶粒尺寸約120μm。
隨著加熱溫度的升高，再結晶晶粒發生長大，加熱溫度為855℃時，再結晶晶粒尺寸達到200μm，長大約1倍（見圖5（ｄ））。綜上所述，鈦合金在變形細化組織過程中，后續加熱溫度和保溫時間對組織細化至關重要。在800℃以上加熱時，加熱溫度越高，保溫時間越長，再結晶晶粒長大的趨勢越明顯，越不利于組織細化。因此，Ti1023鈦合金鑄錠熱變形過程中在800℃以上加熱和保溫時需選取合適的熱加工參數，避免再結晶晶粒長大抵消鍛造變形的組織細化效果。因此，Ti1023鈦合金鑄錠開坯改鍛采用高低高變形工藝時，在完成第一個低溫變形后，下一個高溫加熱和保溫時，加熱溫度不宜過高，保溫時間不宜過長，避免再結晶晶粒長大。
2.3 再結晶矩陣圖
不同的加熱溫度和保溫時間對Ti1023鈦合金變形組織發生靜態再結晶的影響不同。將變形組織發生靜態再結晶后的晶粒尺寸進行分級，再結晶晶粒尺寸越大，對應的晶粒度等級越小。按照上述規則，Ti1023鈦合金變形組織靜態再結晶后的晶粒度等級與加熱溫度和保溫時間的矩陣圖如圖6所示。
根據圖6可知，Ti1023鈦合金在800℃以上加熱保溫時，在一定的加熱溫度下，靜態再結晶的晶粒尺寸隨保溫時間的增加而增大，當晶粒長大到一定程度后，再結晶晶粒尺寸不再發生變化。在一定的保溫時間下，靜態再結晶的晶粒尺寸隨加熱溫度的增加而增大，加熱溫度越高，變形組織完成靜態再結晶后晶粒長大的趨勢越明顯。
3、結論
1）Ti1023鈦合金在兩相區經70％的鍛造變形后，組織能夠發生動態再結晶，晶粒得到細化，力學性能得到提升。
2）Ti1023鈦合金經70％兩相區變形后，在800℃以下加熱保溫時，變形組織以發生回復為主，靜態再結晶為輔，再結晶晶粒未發生長大，組織保留了塑性變形的特征；在800℃以上加熱保溫時，變形組織以發生靜態再結晶為主，回復為輔，且隨著保溫時間的延長，再結晶晶粒發生長大，而晶粒長大到一定程度后，隨著保溫時間的繼續延長不再發生明顯變化。
3）Ti1023鈦合金經70％兩相區變形后在800℃ 以上加熱時，一定的保溫時間條件下，靜態再結晶的晶粒尺寸隨加熱溫度的增加而增大，加熱溫度越高，組織完成靜態再結晶后晶粒長大的趨勢越明顯。
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