高溫長時熱暴露工況下機械模具關(guān)鍵構(gòu)件Ti60鈦合金棒塑性衰減規(guī)律研究：基于微觀組織表征與熱拉伸試驗

1、序言

Ti60鈦合金是一種具有優(yōu)異性能的金屬材料，廣泛應(yīng)用于制造各類機械磨具設(shè)備。Ti60鈦合金有著高強度、耐腐蝕的特點，其中高強度是指Ti60鈦合金具有出色的抗拉強度和屈服強度，能夠承受較大的載荷和沖擊力。耐腐蝕指的是該合金具有良好的耐腐蝕性能，能夠在惡劣的環(huán)境條件下長時間穩(wěn)定運行。同時該合金易于加工成各種復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)，能夠滿足機械磨具設(shè)備生產(chǎn)的多樣化需求。然而在高溫長時間熱暴露環(huán)境下，機械磨具用Ti60鈦合金的性能會受到嚴重影響，其中塑性性能的退化是重點關(guān)注的問題之一。Ti60鈦合金塑性性能的退化可能會造成以下后果:①力學(xué)性能下降:塑性性能是金屬材料的重要性能之一，其反映了金屬材料在受力作用下的變形能力[2]。如果Ti60鈦合金的塑性性能退化，其力學(xué)性能可能會受到影響，如強度、硬度、韌性等可能降低。②結(jié)構(gòu)完整性受損:在機械磨具中，如沖壓模具的凸模/凹模、注塑模具的型芯/型腔、擠壓模具的導(dǎo)流套等，Ti60鈦合金被用于制作關(guān)鍵部件。如果其塑性性能退化，則可能導(dǎo)致這些部件的結(jié)構(gòu)完整性受損，從而影響設(shè)備的性能和安全性。因此，為確保機械磨具的安全和性能，需密切關(guān)注Ti60鈦合金的塑性性能退化情況。

目前，眾多學(xué)者針對Ti60鈦合金應(yīng)用性能展開研究，并已取得一定研究成果。如張群兵等[3]采用激光焊接技術(shù)對TC17/Ti60異種鈦合金進行焊接，系統(tǒng)研究了焊接接頭的宏觀形貌、微觀組織、顯微硬度、拉伸性能及低周疲勞性能。舒宗富等?過激光熔覆技術(shù)制備Ti60鈦合金，重點分析了工藝參數(shù)對成形質(zhì)量、微觀組織及拉伸性能的影響。CHEN等[5]研究了不同溫度下Ti60鈦合金的高周疲勞性能。然而，上述研究均未分析機械磨具用Ti60鈦合金在高溫長時間熱暴露環(huán)境下的塑性性能。由于高溫長時間熱暴露環(huán)境下材料性能變化非常復(fù)雜，因此還需進一步深入研究和探索。

基于此，開展熱暴露對機械磨具用Ti60鈦合金材料塑性性能的影響研究，為提高機械磨具的安全性和使用壽命研究提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。

2、材料制備與測試方法

2.1　試驗材料

選取直徑為8mm，長度為300mm的鈦合金棒材作為試驗材料，其化學(xué)成分見表1。

表1　Ti60鈦合金化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))(%)

采用的試驗材料為Ti60鈦合金棒材，制備工藝為精密的熱加工工藝。該合金鑄錠采用多級真空自耗熔煉工藝制備，確保材料純凈度達到高性能要求。在后續(xù)熱加工過程中，首先在高于相變點的溫度區(qū)間進行開坯鍛造以破碎初始鑄態(tài)組織，隨后在兩相區(qū)溫度范圍內(nèi)實施多向反復(fù)變形處理?。這種特殊的熱加工工藝促使材料發(fā)生充分的動態(tài)再結(jié)晶過程，最終形成具有優(yōu)異均勻性的等軸細晶組織，具體如圖1所示。

從圖1可看出，經(jīng)過優(yōu)化的工藝處理后獲得的鍛態(tài)組織呈典型的再結(jié)晶形貌特征，晶界結(jié)構(gòu)呈理想的模糊化狀態(tài)，具有良好的組織均勻性和穩(wěn)定性，晶粒尺寸為30~40μm。為保障試驗數(shù)據(jù)的代表性，所有試樣均采用線切割，沿棒材軸向1/2半徑處取樣，以備后續(xù)測試。

2.2　熱暴露試驗條件設(shè)計

Ti60鈦合金的高溫熱暴露測試裝置如圖2所示。

該設(shè)備是一款高性能熱力學(xué)試驗系統(tǒng)，可用于各種金屬材料試樣的熱變形、熱處理等試驗，并可實時采集數(shù)據(jù)，用于分析材料性能。該設(shè)備技術(shù)指標卓越，溫度范圍覆蓋室溫至1450℃，控溫精度達±1℃;采用電阻加熱方式，配備熱傳遞冷卻、壓縮空氣冷卻和氣霧冷卻3種冷卻模式;支持真空和氬氣氣氛保護試驗環(huán)境，可滿足不同試驗需求。應(yīng)用該設(shè)備設(shè)置不同的電加熱溫度與時間，以分析材料性能，具體測試參數(shù)見表2。

表2　具體測試參數(shù)設(shè)計

在以上測試環(huán)境中，實施機械磨具用Ti60鈦合金塑性性能的測試與分析。

2.3　性能測試

(1)顯微組織對比測試：對所有熱處理后的金相試樣通過精車加工去除表面1mm氧化層，然后依次采用400#、800#、1000#、1500#及2000#砂紙進行粗磨和細磨，最終采用金剛石懸濁液進行拋光和清洗，確保金相觀察面無劃痕或雜質(zhì)顆粒。采用Kroll腐蝕液(3%HF+10%HNO?+87%H?O)對金相觀察面進行腐蝕，并在Olympus-GX71型光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織。對用于EBSD分析的試樣進行電解拋光，電解液采用高氯酸、甲醇和正丁醇的混合溶液，比例依次為1:6:3，在SUPRA_55型設(shè)備上完成掃描電鏡觀察。對比不同溫度(500℃/550℃)和時間(3~90h)熱暴露后試樣的微觀組織。

(2)塑性性能測試：包括高溫軸向拉伸性能測試與熱膨脹穩(wěn)定性測試。

1)高溫軸向拉伸性能測試。采用線切割將制備的Ti60鈦合金加工成4種尺寸的小圓柱，分別為Φ8mm×18mm、Φ8mm×16mm、Φ8mm×14mm及Φ8mm×12mm。在圓柱試樣的端面放置墊片以減小摩擦[8]。將4種尺寸圓柱作為拉伸試樣，通過Gleeble-3500熱模擬試驗機模擬高溫熱暴露環(huán)境，并開展恒溫熱拉伸塑性性能測試試驗，具體試驗方案如下:設(shè)置試驗機應(yīng)變速率為0.01 s?1，利用試驗機實施單道次熱拉伸，其工藝規(guī)程如圖3所示。

在試驗中，利用試驗機的處理系統(tǒng)采集試驗數(shù)據(jù)。由于在徑向應(yīng)變測量過程中試驗機的C-Strain傳感器可能出現(xiàn)偏差，因此在本次試驗中采取軸向應(yīng)變測量方式，即通過沖程控制實時采集試樣長度與載荷數(shù)據(jù)變化[9]。基于測量數(shù)據(jù)，計算材料的塑性應(yīng)變φ，其表達式如下。

式中：δ——試驗機記錄的實時載荷(N)；

C₀——試樣原始直徑(mm)；

x——試樣瞬時長度(mm)；

x₀——試樣原始長度(mm)。

依據(jù)式(1)，得到各試樣的塑性應(yīng)變，并分析其塑性性能。

2)熱膨脹穩(wěn)定性測試。采用熱膨脹儀測試各試件的塑性熱穩(wěn)定性能。將試樣放置在熱膨脹儀的樣品臺上，軸向施加5N預(yù)緊力，以確保試樣被固定牢固，防止在測試期間發(fā)生位移。設(shè)置熱膨脹儀的溫度控制系統(tǒng)，以10℃/min升溫速率在氬氣保護氣氛下進行測試，然后啟動熱膨脹儀開始測試[10]。測試溫度范圍覆蓋室溫~550℃，以匹配熱暴露試驗條件。測試期間，儀器會自動記錄和采集試樣長度(隨溫度變化的)數(shù)據(jù)。完成測試后，可使用熱膨脹儀所測量的數(shù)據(jù)，計算試樣的熱膨脹系數(shù)α，其公式如下。

式中：ΔT——溫度變化；

ΔL——在溫度變化下的長度變化量；

L₀ ——材料在參考溫度下的初始長度(mm)。

依據(jù)式(2)，獲得熱膨脹系數(shù)隨溫度變化曲線，以此評估材料在不同熱暴露條件下的穩(wěn)定性。

3、測試性能分析

3.1　微觀組織分析

在對熱暴露完成后的試樣進行預(yù)處理后，采用FE-SEM SUPRA_55型設(shè)備進行微觀組織形貌觀察，并獲得顯微組織，結(jié)果如圖4所示。

統(tǒng)計不同熱暴露條件下Ti60鈦合金平均晶粒尺寸，結(jié)果見表3。

表3　不同熱暴露條件下Ti60鈦合金平均晶粒尺寸

圖4所示的顯微組織清晰地展示了Ti60鈦合金在不同熱暴露條件下的相變行為和組織演化特征。

通過掃描電鏡系統(tǒng)觀察發(fā)現(xiàn)，Ti60鈦合金在500℃和550℃兩個典型溫度下的組織演變呈現(xiàn)出明顯的差異性和規(guī)律性。

從圖4及表3數(shù)據(jù)可知，在短時熱暴露階段(3~9h)，兩種溫度處理的試樣中初生α相均保持相對穩(wěn)定，其體積分數(shù)和晶粒尺寸未見顯著變化，平均晶粒尺寸由初始的30~40μm緩慢增長至35μm(500℃×9h)和45μm(550℃×9h)，表明短時熱力學(xué)擾動尚不足以引發(fā)明顯的相變重組。值得注意的是，此時在初生α相邊緣區(qū)域已開始出現(xiàn)少量塊狀α相析出，這種局部相變行為主要受限于低溫條件下Al、Sn等合金元素的擴散能力不足。隨著熱暴露時間延長至60h，溫度對組織演變的調(diào)控作用開始顯著體現(xiàn)。在500℃處理的試樣中，平均晶粒尺寸增長至42μm，初生α相周圍逐漸形成離散分布的塊狀α相，這些新相與原始初生α相保持著清晰的相界，且被次生α相有效分隔，反映出中溫條件下相變過程的漸進性和局域性特點。相比之下，550℃處理的試樣平均晶粒尺寸顯著增加至58μm，塊狀α相不僅數(shù)量顯著增加，而且開始形成連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，相界逐漸模糊化，直觀展示了高溫對相變動力學(xué)和粗化過程的加速作用。當熱暴露時間達到90h時，溫度效應(yīng)帶來的組織差異更加顯著。500℃處理的試樣平均晶粒尺寸增至48μm，雖然塊狀α相數(shù)量持續(xù)增加，但次生α相仍然發(fā)揮著有效的空間隔離作用，阻止了組織的完全粗化。而550℃處理的試樣平均晶粒尺寸已達到65μm，基本完成組織均質(zhì)化過程，形成典型的等軸α相粗晶結(jié)構(gòu)，次生α相的完全消失標志著系統(tǒng)已達到更穩(wěn)定的熱力學(xué)平衡狀態(tài)。這種差異本質(zhì)上反映了溫度對擴散過程的決定性影響:在較低溫度下，受限的原子擴散導(dǎo)致組織演化呈階段性特征;而高溫條件通過顯著增強元素互擴散能力，不僅加速了相變過程，更促進了組織的整體均勻化和穩(wěn)定化。

3.2　不同熱暴露條件下試件的塑性性能分析

塑性應(yīng)變能夠更精確地量化材料在發(fā)生失穩(wěn)前的均勻變形能力，這直接決定了材料在熱加工過程中的成形極限和充填性能，因此選取塑性應(yīng)變作為性能評估指標。在0.01 s?1的應(yīng)變速率與不同的熱拉伸溫度下，利用試驗機測試不同熱暴露溫度與時間下Ti60鈦合金試件的塑性應(yīng)變，分析其塑性性能，結(jié)果見表4。

在相同熱暴露溫度條件下，隨著熱暴露時間的延長，塑性應(yīng)變呈明顯的下降趨勢。以500℃熱暴露為例，當熱暴露時間從3h延長至90h時，1000℃拉伸溫度下的塑性應(yīng)變從1230 με降至980 με；1100℃下從1450 με降至1220 με；1200℃下從1680 με降至1500 με，降幅為10.7%。這種趨勢在550℃熱暴露條件下更為顯著。值得注意的是，在1200℃高溫拉伸條件下，不同熱暴露時間導(dǎo)致的性能差異相對較小，這表明高溫環(huán)境能夠部分抵消長時間熱暴露帶來的不利影響。對比不同熱暴露溫度的影響可發(fā)現(xiàn)，550℃處理試樣的塑性應(yīng)變普遍低于500℃試樣。以3h熱暴露為例，550℃處理試樣在3個測試溫度下的塑性應(yīng)變相較于500℃試樣分別降低4.1%、3.4%和1.8%;而在90h長時間熱暴露后，這一差異擴大至9.2%、7.4%和6.7%。這種溫度效應(yīng)隨著熱暴露時間的延長而增強的現(xiàn)象，可能與高溫條件下組織演變速率加快有關(guān)。

通過顯微組織演變分析發(fā)現(xiàn)，這種塑性性能的下降主要源于熱暴露過程中α相的持續(xù)粗化及次生α相的析出行為，這些組織變化顯著增大了位錯運動的阻力。隨著熱暴露時間從3h延長至90h，晶界弱化和元素偏聚現(xiàn)象加劇，導(dǎo)致塑性應(yīng)變降低。值得注意的是，在1200℃高溫測試條件下，不同熱暴露試樣之間的性能差異有所減小，這表明高溫環(huán)境能夠通過動態(tài)再結(jié)晶過程部分修復(fù)熱暴露導(dǎo)致的組織缺陷。為驗證極端條件下的性能演變規(guī)律，開展了在550℃、熱拉伸溫度1200℃、400h的超長時間的測試分析，如圖5所示。

表4　不同熱暴露條件下溫度、時間與塑性應(yīng)變的關(guān)系

從圖5可知，與短時熱暴露相比，400h熱暴露導(dǎo)致塑性應(yīng)變大幅降低，如在1200℃拉伸條件下，塑性應(yīng)變從1375με降至約1000με。結(jié)合顯微組織分析可知，超長時間熱暴露加劇了α相粗化、晶界弱化和元素偏聚，同時晶界蠕變和位錯密度的變化進一步阻礙了位錯運動，使材料塑性變形能力顯著下降。盡管1200℃高溫拉伸可能通過動態(tài)再結(jié)晶部分修復(fù)組織缺陷，但400h熱暴露引起的結(jié)構(gòu)損傷已超出其補償能力。這一結(jié)果提示，在高溫長時間服役環(huán)境中需嚴格控制Ti60鈦合金的熱暴露時間或采取防護措施，以避免因組織不可逆劣化導(dǎo)致的塑性性能喪失，本研究為材料在極端條件下的可靠性評估提供了重要依據(jù)。

3.3　不同熱暴露條件下試件的塑性穩(wěn)定性分析

由于高溫環(huán)境下Ti60鈦合金易發(fā)生塑性變形并產(chǎn)生熱疲勞等現(xiàn)象，因此有必要在上述研究的基礎(chǔ)上進一步分析不同熱暴露條件下材料的塑性熱穩(wěn)定性。采用熱膨脹系數(shù)評估合金在高溫環(huán)境中的熱穩(wěn)定性。通過測試，得到不同熱暴露條件下的試驗結(jié)果(見表5)。

表5　不同熱暴露條件下的試驗結(jié)果

注:1ppm=1×10??。

由表5可知，Ti60鈦合金的熱膨脹系數(shù)隨熱暴露溫度升高和時間延長呈系統(tǒng)性下降趨勢。在500℃熱暴露條件下，隨著時間從3h延長至90h，材料在1000℃、1100℃和1200℃測試溫度下的熱膨脹系數(shù)分別從9.2ppm、10.1ppm及11.3ppm下降至8.5ppm、9.2ppm及10.1ppm;而在550℃條件下，同期熱膨脹系數(shù)從8.9ppm、9.7ppm及10.8ppm降至7.9ppm、8.6ppm及9.5ppm，降幅更為顯著。這種變化機理主要源于高溫熱暴露引發(fā)的材料微觀結(jié)構(gòu)演變:α相→β相轉(zhuǎn)變導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)致密化，降低了熱膨脹能力；晶界弱化與元素偏聚改變了原子振動模式；次生α相和β相的析出對晶格畸變產(chǎn)生約束作用，共同導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)下降。特別是在550℃高溫下，元素擴散與相變過程加速，組織更快趨于穩(wěn)定，使得熱膨脹系數(shù)降低更明顯。當熱膨脹系數(shù)低于9.0ppm時，材料進入塑性不穩(wěn)定區(qū)間，材料會發(fā)生劣化。因此，熱膨脹系數(shù)的下降反映了Ti60鈦合金在高溫長時間熱暴露后微觀結(jié)構(gòu)的不可逆變化，這些變化通過相變、晶界演化和析出行為共同作用，導(dǎo)致材料塑性穩(wěn)定性降低，也表明控制熱暴露溫度在500℃以下是維持其塑性性能的關(guān)鍵措施。

4、結(jié)束語

本研究旨在分析高溫熱暴露環(huán)境下機械磨具用Ti60鈦合金的塑性性能，成功地揭示了高溫熱暴露環(huán)境下Ti60鈦合金的組織演變規(guī)律與塑性性能變化機制，為機械磨具材料的設(shè)計和應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1)熱暴露溫度和時間對Ti60鈦合金塑性性能具有顯著影響，500℃以下熱暴露能保持較好的塑性穩(wěn)定性，而550℃熱暴露會導(dǎo)致塑性應(yīng)變明顯下降。

2)熱拉伸溫度升高能夠部分補償熱暴露造成的性能損失，1200℃高溫拉伸條件下塑性應(yīng)變最大，表現(xiàn)出最佳的塑性變形能力。

3)長時間熱暴露(400h)會引發(fā)α相粗化、晶界弱化和元素偏聚，導(dǎo)致塑性應(yīng)變大幅下降，表明材料組織發(fā)生不可逆劣化。

4)熱膨脹系數(shù)變化與塑性性能劣化具有顯著相關(guān)性，當熱膨脹系數(shù)低于9.0ppm時，材料進入塑性不穩(wěn)定區(qū)間。

雖然在研究中取得了重要發(fā)現(xiàn)，但仍需進一步探索Ti60鈦合金在更復(fù)雜工況下的性能演變規(guī)律。未來研究將重點關(guān)注:超長時間熱暴露的影響機制、多場耦合(熱-力-環(huán)境)條件下的性能劣化規(guī)律。相信隨著研究的持續(xù)深入和技術(shù)的不斷創(chuàng)新，Ti60鈦合金在高端裝備制造領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊，為推動制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展作出更大貢獻。

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（注，原文標題：熱暴露對機械磨具用Ti60鈦合金材料塑性性能的影響研究_周東）