钛及钛合金剧烈塑性变形的研究进展.doc

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1、DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2013.16.008 RESEARCH OF FORMING TECHNOLOGY 钛及钛合金剧烈塑性变形的研究进展 Progress in Severe Plastic Deformation of Ti and Ti Alloy 东 北 大 学 材 料 与 冶 金 学 院 李卓梁 丁 桦 中航工业北京航空制造工程研究所 李继忠 摘 要 结 合目 前 剧 烈 塑 性 变 形（ SPD）方法 的 成形技术研究 研究 现 状，介 绍 了等 通 道 转角 挤 压 (ECAP)、高 压 扭转 (HPT)、搅 拌摩擦 加工（ FSP）等剧 烈

2、塑性 变形方 法及其 特点与变形机理；对剧烈塑性变形方法对钛及钛合金组 织性能的影响规律进行了 评述，并展望了剧烈塑性变形 方法在钛及钛合金材料研究与应用的前景。 关键 词： 剧 烈塑 性变形 钛及 钛合 金 组 织性能 变形机理 ABSTRACT Combined with the current research situation of the severe plastic deformation (SPD), the char- acteristics and deformation mechanism of equ al channel angle pressing (ECAP),

3、high pressure torsion (HPT), fric- tion stir processing (FSP) and some other severe plastic deformation methods are introduced. The effects of severe plastic deformation on t he m icros tru ctures , p ro perti es and infuence law of titanium and titanium alloy are sum- marized. The research an d app

4、lication of severe plastic deformation on titanium and titanium alloy material is prospected. Keywords: Severe plastic deformation (SPD) Ti and Ti alloy Microstructure and propertiy Deforma- tion mechanism 钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐蚀性好、耐热 性优 良、无 磁等 一系 列特 性 。 虽然 自 1948 年达 到工 业生产规模至今只有半个多 世纪的历史，但总体发展速 度却超 越了任

5、何一种其 他有色 金属。目 前全世 界钛铁 矿的产量逐年增长，制备的钛 及钛合金被广泛应用于航 空航天、石油化 工、冶金、轻工、海 水淡化 和舰艇 等工业生产中。 剧烈塑性变形（ Severe Plastic Deformation， SPD）作 1 钛及钛合金的 ECAP 研究 1.1 ECAP 变形机理 等通道转角挤压（ Eq ual Ch an nel Angular Pressin g, ECA P）是将试样放 入横截面相同 并成一定交角的 弯曲 通道 中，试样 在压力 作用下 通过管道，在管道 弯曲处 产 生近 似理想 的剪切 变形。由 于不改变 材料的 横截面 积 和形 状，就使

6、试样重 复变形 成为可能，从而通 过多次 变 形过 程得到具 有亚微 米甚至 纳米级尺 寸晶粒 的超细 晶 组织 ， ECAP 原理图见图 1。 冲头 模具 试样 图 1 ECAP 原理图 Fig.1 Diagram of ECAP 根据 Iwahashi 等 的理论，在试样与模壁完全润滑 的条件下，等通道转角挤压产生的总应变量 n 取决于挤 压次数 N、两通道的内交角 和外接弧角 的大小，即： 为一种新兴的塑性变形方法，可在变形过程中引入大的 应变量，从而有 效细化金 属，获得 亚微米 甚至纳 米尺寸 的晶粒，通过变 形过程中 微观组 织的控 制，可以 同时获 得具有高强度与大塑性的块体纳米

7、材料 。 本 文介绍了 SP D 方法及其 对钛及钛合 金的组织性 能的影响，并对钛及钛合金剧 烈塑性变形的发展进行了 展望。 1 2-3 。 ECAP 的挤压过程可连续进行。根据相邻挤压道次 间试样相对于模 具的轴向旋转方向和角度的 不同，可将 ECAP 工艺路线分为 3 种，即 A、 B 和 C ；根据旋转方向 的不同，路径 B 又细分为 BA 和 BC 2 种方式。 1.2 ECAP 对钛及钛合金性能的影响 采用 ECAP 技术制 备的钛 及钛合 金，在 强度、超 塑 2013 年第 16 期 航空制造技术 139 成形技术研究 RESEARCH OF FORMING TECHNOLOG

8、Y 6-7 性、疲劳极限和耐腐蚀性等方面都有显著提高。 Ko 等 在温度 600 应变速率 0.3s 条件下对 Ti-6Al-4V 合金 进行挤 压。结果 表明晶粒 细化效 果随道 次的增 加而增 加，晶粒尺寸由原始的 11m 细化到 0.3m，四道次后， 晶粒 尺寸 无明 显 变化，但晶 粒间 的位 相 差随 道次 的增 加而增 大。 St olyarov 等 在 400450 范 围内分 别通 过 BC、 BA、 C 3 种路径对 工业纯钛的 ECAP 变形性能进 行了研究。研 究发现， 3 种路径经 多道次变形 后均可使 晶粒细 化，但采用 BC 方 式变形对 晶粒的 细化效 果最有 效

9、，可获得平均晶粒尺寸 260350n m 的等 轴晶试样；而 其他 2 种方 式只能 获得拉 长的 非等轴 晶。作者 认为剪 切方式、晶体结构及变形织构 的相互作用是影响晶粒细 化的 主要 因素。 Lu o 和 X ia 等 利 用回 收的 钛片 进行 ECAP 过 程，得到了晶 粒尺寸小于 0.8 m 的细晶组织。 材料的 屈服强度 达到 650M Pa，延伸率 达到 16%。作者 认为，较高的层错能和动态再 结晶是导致晶粒细化的主 要因素，屈服强度的提 高符合 Hall -Patch 关系，并利用 改进的 Griffith 准则对延伸率的改善进行了解释。此外， ECAP 变 形后，钛及钛合

10、金 的疲劳强度和耐 腐蚀性也显 著提高 。 1.3 EACP 制备粉末材料 引 入 背 压后， ECAP 工艺 能 有效 地 将 粉末 挤 压成 形，制备出 纳米块体 材料。对于 ECA P 粉末 成形，在挤 压过 程中 剪切 变 形有 利于 粉末 表面 的 氧化 膜破 碎，这 些氧化 物颗粒均 匀地分 散在基 体内能起 到一定 的强化 作用。 H. P. Ng 等 用工业纯钛 和 Al60V40 中间合金 （ MA）通过 ECAP 得到 Ti-6Al-4V 块 体材 料。作 者认 为 ECAP 过程中 Ti 颗粒的相互剪 切变形有效地去除了 颗粒表面的氧化层，促进了 Ti-Ti 颗粒的联接；

11、 Ti 与 MA 颗粒之间则 存在 20n m 左右的非 晶氧化物，氧 化层并未 成为扩散的阻 碍， Ti 和 Al 原子的相互扩 散可以跨过氧 化层甚至在 氧化 层中 发生。 Haase 等 的工 作表明通 过合适的温度、静水压力及剪 切变形可以得到致密度高 达 99.26% 的 Ti-6Al-4V 块体 材料； ECAP 可 将烧结温 度降 低 150250 并 且得 到的 材料 组织 均匀 致密 度较 高；最终得 到的 Ti-6Al-4V 块体 材料 最大 致密度 达到 99.88%，维氏硬度 445HV，最大抗拉强度 1080MPa。 Lu i 和 X ia 等 将 Ti 和 Al 粉

12、末 机械 混合 后在 350 温度 下进行 了 12 道次的 ECA P 挤压，得到了 晶粒尺 寸达到 300500nm 的超细晶 Ti-47Al 合金，且得到的合金组织 均匀，强度和塑性均有较大幅度提高。 1.4 钛及钛合金 EACP 数值模拟 D eform 软件在模拟 过程中可以根据 网格的集变量 进行自动划分网格，因此可以 实现剧烈塑性变形的数值 模拟。 Delo 和 Semiatin 最早使用 Deform 有限元软件 140 航空制造技术 2013 年第 16 期 模拟了 ECAP 挤压过程，通过模拟研究 发现模具结构和 摩擦系数是影响材料流动最重要的因素， TC4 钛合金在 90

13、0 条件下挤 压试样 出现明 显的裂 纹，采用 数值模 拟 的方法可以预测 挤压过程的变形特征及裂纹 产生原因， 从而达到避免裂纹实现变形均匀化的目的。 对 ECAP 挤 压通过 施加背 压的方 法使材 料处于 静 水压 力状态，可以有 效提高 材料的塑 性变形 能力，并 且 可降低塑性变形 温度，实现材料的晶粒细化和 提高力学 性能。李继忠等 模 拟了施加背压后的纯钛 ECA P 变 形，结 果表明施加 背压能有效地提高材料的塑性 变形能 力，但增 加被压导致 变形不均匀，试样下表面 畸变严重； 为了提高试样变 形的均匀性，在施加背压的同时 调整模 具外转角半径能 有效消除试样下表面畸变，且

14、施 加被压 后试样单道次变形量显著增加。 2 钛及钛合金的 HPT 成形 2.1 HPT 变形机理 高压扭转（ High Pressure Torsion， HPT）作为一种剧 烈塑性变形方法，高压扭转是在轴向压缩的同 时在横截 面上 施加一 扭矩，就 可以变 摩擦阻力 为摩擦 动力，从 而 既实现了一定的扭转变 形，又实现了简单的压缩变形。 上砧 P 试样 P 下砧 A B 图 2 HPT 原理示意图 Fig.2 Principle diagram of HPT HPT 过程中剪切应变 正比于扭转圈数和中心距 r， 即 ，其中 h 为 试样的原始厚度， N 为扭转 圈数。 目前，用 HPT

15、方法已 经对 钢铁、铝 及铝 合金、钛 及钛 合 金、镍合金、纯铬、铜及铜合金、 Co-NiO 复合材料进行了 试验研究。 2.2 HPT 对钛合金组织性能的影响 Isl amgal iev 等 对纯钛先 进行 ECAP锻 造 拉 拔，然后在室温下进行 HPT，将晶粒细化至 105120nm。 所得材料抗拉强度为可达 1600MPa。 Stolyarov 等 在 12 -1 89 10-11 13 14 15 RESEARCH OF FORMING TECHNOLOGY 成形技术研究 对纯钛 进行 ECAP 后，使其 晶粒尺 寸达到 300nm，再进 行 HPT，使硬 度 增加 33%。 W

16、ang 等 研究 了 工 业纯 钛的 微磨 损行 为。原 始样 品的 晶粒 尺寸 为 8.6 m，经 HP T 后，晶粒尺寸为 130nm。 结果表明：不同晶粒尺寸 的纯钛有相似的摩擦系数，但 摩损机制不同。细晶的磨 损更为均匀，同时磨损速率低。 钛 合金 与人 体的 杨氏 模量 基本 相当，可作 为生 物 植 入 材 料 。 型 钛 合 金（ Ti -29Nb -13Ta-4.6Zr）固 溶态 的强 度 低于 TC4，如果 用 形变 热 处理 方法 提 高强 度，会析出大量的沉淀相粒子，同时也会提高弹性模量。 搅拌头旋转 焊接区域 后退侧 下压力 焊核区 前进侧 焊接方向 轴肩 针 Yil

17、maz er 等 20 采用 HPT 方法，以在提高强度的同时保 图 3 搅拌摩擦加工原理示意 图 证低的弹性模量。他们对不同转数的 HPT 进行了研究， 发现当转数高于 20 时，组织较为 均匀，硬度分布也趋于 均匀。 3 钛及钛合金的 FSP 成形 3.1 FSP 成形方法及机理 搅拌摩擦加工（ Friction Stir Processing， FSP）是在 搅拌摩 擦焊接工 艺的基 础上发 展的一种 新型材 料加工 和制备的工艺，其加工原理与搅拌摩擦焊接类似（图 3）， 即搅拌工具旋转 扎入待加工 板材上，通过搅拌工具与材 料之间的摩擦和剧烈塑性变 形产热将金属塑化，在搅拌 工具带动下

18、填充至搅拌针后 端，再在轴肩的挤压作用下 形成致密的塑性加工区。搅拌 摩擦加工过程中，由于材 料未达到融化状态而是处于 固相状态，同时材料在搅拌 工具的旋转挤压作用下发生 了剧烈塑性变形，因此搅拌 区晶粒可细化到亚微米级别。 3.2 FSP 成形对钛合金组织性能的影响 搅 拌摩擦 加工由 Pil chak 等 首先 应用于 钛合金 的加工，加工后焊核区晶粒由初始状态的 1.5mm 细化成 12m 的等 轴晶，加工前后的显微组织如图 3 所示。 Fig.3 Principle diagram of FSP 在搅 拌摩擦 加工过 程中，通 过调 整工具 结构、焊 速 和转速可以控制 加工区组织结构

19、。在低热输入 条件下， 加工温度低于 相 转变温度，晶粒细化显著，可 得到超 细晶 甚至亚微 米晶；在高热输 入条件 下，可得到 - 片层状组织，该组织结构有利于提高材料强度。 4 其他 SPD 方法 4.1 累积叠轧（ Accumulative Roll-Bonding， ARB） Mi lner 等 在 450 对 纯 Ti 进 行叠轧， 7 道 次后， 晶粒尺寸为 100nm。 该研究结果表明，温叠轧和冷 叠轧 的效果相当，对工业应用有其优越性。通过 SPD 方法提 高工业纯钛的强度，可用于替代 Ti -6Al-4V 用于航空工 业、汽车工业和作 为生物材料，显著降低成本，并 有利于 可

20、循环制造。 Rad ucanu 对 Ti-Zr-Ta-Nb 合金进行了 三次叠轧，叠轧后 材料具有较高的抗拉强度。同时 腐蚀 实 验结果表明叠 轧后材料的电化学性能得到改 善，耐蚀 能力提高。 4.2 连续 ECAP 100m 5m （ a）铸态显微组织 （ b）加工区显微组织 21 图 4 TC4 钛合金搅拌摩擦加工前后显微组织 Fig.4 Microstructure of TC4 titanium alloy before and after FSP 2013 年第 16 期 航空制造技术 141 19 搅 拌 21 22 23 成形技术研究 RESEARCH OF FORMING TE

21、CHNOLOGY 9 Luo P, McDonald D T, Xia K, et al. Ultrafine-grained pure Ti 采 用 ECAP 和 连续挤 压及后 续拉拔 相结合 的方法 可制 备长 度 较长 的棒 材。 Gu nd erov 等 对工 业 纯钛 在 200 进行了 ECAP-C（ conf orm）变形，然后将其在 200 拉拔。晶粒尺寸达到 150nm。 4.3 多向锻造 (Multiple Forging， MF) Imayev 等 对 退火 态 Ti-48Al-2Nb -2Cr 合 金进 行多向锻造，使晶 粒由 0.3mm 细化至 400m 以下。在

22、800 时材料的延伸率达到 355%，应变速率敏感性指数 高于 0.5，体现出良好的超塑性。 5 钛合金剧烈塑性变形发展展望 近 年来，对钛及钛合金剧烈塑 性变形的研究取得了 重要进 展。目前 大多数钛 及钛合 金剧烈 塑性变 形的研 究集中在变形过程中组织演 变机理、细化机理和变形后 力学性能及组织稳定 性等方面。目前多数 SP D 方法可 加工的工件尺寸往往很小，并 且需要大功率的设备或昂 贵的模 具，以致 于难以广 泛应用 于工业 生产中，钛及钛 合金剧 烈塑性 变形的研 究大多 尚处于 实验室 阶段。另 外，在钛及钛合金 SPD 复合加工方法（如 ECAP+ 冷挤压； ECAP+ 锻造

23、； ECAP+Conform+ 拉拔； ECAP+ 轧制等）、 变形机理研究 与性能改进以 及钛及钛合 金 S PD 粉末成 形等方面的 研究还有待深 入。钛及钛合金 的 S PD 的工 业化应用方面有着广阔的应 用前景，尚需广大科研工作 者进行进一步的研究和探索。 参 考 文 献 1 林信平，曹顺华，李炯义 . 温压工艺在 粉末冶金 Ti 合金制备 中的应用 . 稀有金属与硬质合金， 2004(3):36-39. 2 汪程鹏，李付国， 陆 红亚，等 . 剧烈塑性变 形制备微纳米材 料的变形细化机理 . 金属热处理 , 2012, 37(2):14-19. 3 Azushima A, Kop

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