工程科学学报，第37卷，第2期：211-218,2015年2月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.2:211-218,February 2015 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2015.02.012:http://journals.ustb.edu.cn 不同锤锻方式下Ti-6Al-4V合金组织及取向演变 李 伟，张麦仓四，李昕，彭桃 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 ☒通信作者，Emai:mczhang@ust山h.cdu.cm 摘要利用扫描电镜和背散射衍射技术研究了T6A14V合金在不同锤锻变形方式下的组织与取向变化.结果显示：随 着镦拔变形次数的增加，T6A4V合金中α相及B相组织均趋于均匀，而且两相的取向聚集越不明显；进一步热处理后，锻 造过程中形变储存能得到释放，在释放过程中两相也会发生一定的倾转，轴向三次镦拔或者换向三次镦拔对组织均匀性改善 明显.综合分析发现，密排六方结构的α《相的取向分布对变形方式较敏感：原始棒材以及一次镦拔时，合金中α相的取向 {0001}基面织构占了很大部分：随着镦拔次数增多，形变能增加，虽然{0001}基面滑移被抑制，但是{1010}、{1120}等柱面滑 移以及(0111}、{1123}等锥面滑移得以开动，大幅地增加了取向的种类，进而降低了取向的集中性，使得取向更趋均匀化. 关键词钛合金：锻造：变形方式：组织：取向 分类号TG146.23 Microstructure and texture evolution in Ti-6Al-4V alloy under different hammer forging processes LI Wei,ZHANG Mai-eang,LI Xin,PENG Tao School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:mezhang@ustb.edu.cn ABSTRACT Microstructure and texture evolution in Ti-6Al-4V alloy under different hammer forging processes were investigated by electron backscattered diffraction and scanning electron microscopy.The results showed that the microstructure became more and more uniform along with the frequency of forging,and the directionality turned more and more invisible;after heat treatment,the distribu- tion uniformity of a and B phases and the micro-texture were both increased to somewhat extent because of the release of deformation energy and the tilting of a and B phases,especially highlighted in the forging modes of uniaxial 3 times and cross upsetting and stretc- hing 3 times.As for the texture distribution of this alloy,the close-packed hexagonal structured a phase was more sensitive to hot working modes than the body centered B phase.For raw materials and one-time axial upsetting and stretching,the texture of c phase mainly consisted of the (0001)basal texture:with the increase of frequency and deformation energy,the (1010)and (1120)pris- matic slip and the (1011)and (1212)pyramidal slip were strengthened,accordingly inducing the more uniform of orientation be- cause of the texture components and the dispersion of texture distribution. KEY WORDS titanium alloys:forging:deformation modes:microstructure:orientation 钛合金具有密度小、比强度大、使用温度高等优 工性，热塑性加工（包括锻造、轧制、挤压等）是钛合金 点，广泛应用于船舶、汽车以及航天航空等工业，在波 构件主要的成型方式.Ti6A-4V(TC4)是最早生产 音B-787及空客A-350中，钛合金的构件的使用比例 并投入使用的结构钛合金，它是典型的α+B双相热 甚至达到了15%~20%1-司.钛合金具有良好的热加 强钛合金，使用温度可达400~450℃，主要用作航空 收稿日期：20140709
工程科学学报，第 37 卷，第 2 期: 211--218，2015 年 2 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 2: 211--218，February 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 02． 012; http: / /journals． ustb． edu． cn 不同锤锻方式下 Ti--6Al--4V 合金组织及取向演变 李 伟，张麦仓，李 昕，彭 桃 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: mczhang@ ustb． edu． cn 摘 要 利用扫描电镜和背散射衍射技术研究了 Ti--6Al--4V 合金在不同锤锻变形方式下的组织与取向变化． 结果显示: 随 着镦拔变形次数的增加，Ti--6Al--4V 合金中 α 相及 β 相组织均趋于均匀，而且两相的取向聚集越不明显; 进一步热处理后，锻 造过程中形变储存能得到释放，在释放过程中两相也会发生一定的倾转，轴向三次镦拔或者换向三次镦拔对组织均匀性改善 明显． 综合分析发现，密排六方结构的 α 相的取向分布对变形方式较敏感: 原始棒材以及一次镦拔时，合金中 α 相的取向 { 0001} 基面织构占了很大部分; 随着镦拔次数增多，形变能增加，虽然{ 0001} 基面滑移被抑制，但是{ 1010} 、{ 1120} 等柱面滑 移以及{ 0111} 、{ 1123} 等锥面滑移得以开动，大幅地增加了取向的种类，进而降低了取向的集中性，使得取向更趋均匀化． 关键词 钛合金; 锻造; 变形方式; 组织; 取向 分类号 TG146. 2 + 3 Microstructure and texture evolution in Ti--6Al--4V alloy under different hammer forging processes LI Wei，ZHANG Mai-cang ，LI Xin，PENG Tao School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: mczhang@ ustb． edu． cn ABSTＲACT Microstructure and texture evolution in Ti--6Al--4V alloy under different hammer forging processes were investigated by electron backscattered diffraction and scanning electron microscopy． The results showed that the microstructure became more and more uniform along with the frequency of forging，and the directionality turned more and more invisible; after heat treatment，the distribution uniformity of α and β phases and the micro-texture were both increased to somewhat extent because of the release of deformation energy and the tilting of α and β phases，especially highlighted in the forging modes of uniaxial 3 times and cross upsetting and stretching 3 times． As for the texture distribution of this alloy，the close-packed hexagonal structured α phase was more sensitive to hot working modes than the body centered β phase． For raw materials and one-time axial upsetting and stretching，the texture of α phase mainly consisted of the { 0001} basal texture; with the increase of frequency and deformation energy，the { 1010} and { 1120} prismatic slip and the { 1011} and { 1212} pyramidal slip were strengthened，accordingly inducing the more uniform of orientation because of the texture components and the dispersion of texture distribution． KEY WOＲDS titanium alloys; forging; deformation modes; microstructure; orientation 收稿日期: 2014--07--09 钛合金具有密度小、比强度大、使用温度高等优 点，广泛应用于船舶、汽车以及航天航空等工业，在波 音 B--787 及空客 A--350 中，钛合金的构件的使用比例 甚至达到了 15% ～ 20%［1 － 3］． 钛合金具有良好的热加 工性，热塑性加工( 包括锻造、轧制、挤压等) 是钛合金 构件主要的成型方式． Ti--6Al--4V ( TC4) 是最早生产 并投入使用的结构钛合金，它是典型的 α + β 双相热 强钛合金，使用温度可达 400 ～ 450 ℃，主要用作航空
·212 工程科学学报，第37卷，第2期 发动机的风扇盘及飞机的结构承力件四.目前，国内 内部的取向性国，降低了各向异性能 外对于钛合金热加工变形过程的变形行为、组织演化 上述研究在一定程度上分析了双相钛合金变形过 以及组织和性能的关联性等进行了大量深入的研 程组织及取向的变化规律，研究结果对热加工工艺的 究5-刀，而且传统热强钛合金和高强钛合金的组织性 不断改进具有重要作用.实际工程应用中，钛合金棒 能控制已趋于成熟.但是，随着军工及民用构件要求 坯一般需经空气锤或快锻水压机进行改锻，旨在提高 的不断提高，钛合金构件，尤其是转动件的组织均匀性 锻坯的组织及取向均匀性，但工艺制定大多依据经验 与取向均匀性的关联性及其与无损检测信号响应间的 累积.本文以Ti6A-4V双相合金为研究对象，针对 关联性成为近年来钛合金工艺优化的热点，也成为工 工程普遍应用的空气锤改锻过程，系统分析锻造工艺 程应用领域亟待解决的问题 方式改变对这种快速成形过程组织演化及取向分布的 近年来，已有一定量关于双相钛合金在两相区进 影响规律，为进一步锤上坯料改锻工艺优化提供依据， 行热变形时取向变化基本规律的研究报道.Germain 1 等的研究表明，Ti6A-4V合金变形过程中再结晶 实验材料及方法 新形核的晶粒与原晶粒的取向一致，至少是在基面一 实验用材料为经锻造开坯的T6A14V合金，尺 致，体现了材料织构在变形过程中的遗传性：Glavicic 寸为30mm×60mm.将实验材料在箱式电阻炉加热 等回认为，双相钛合金中的两相虽然存在Burgers关 至950℃保温30min,然后在空气锤锻机上进行不同方 系，但是12种对应的α取向关系并不等值出现：而 式锻造变形.包括轴向一次镦拔、轴向两次镦拔、轴向 Zu等@则认为材料织构的类型比材料织构的强度 三次镦拔以及换向三次镦拔加工，每次变形量均为 对材料性能的影响更大·此外，双相钛合金在锻造过 40%.具体变形方式见图1.锻造结束后，对上述样品 程中会生成很强的局部织构区域，形成“广域”四，这 在电阻炉内进行热处理.具体规范为：930℃保温60 种“广域”是锻件产生局部裂纹的重要原因.工程实践 min,空冷：550℃保温240min,空冷.将热处理后的样 表明，两相区锻造获得的双相组织钛合金塑性和强度 品切割成组织分析样品及背散射衍射分析样品，在- 都有很大的提高网，并且换向锻造可以明显改善材料 tra55扫描电镜下进行组织及取向的系统分析 图1变形方式示意图.(a)轴向一次镦拔：(b)轴向二次辙拔：()轴向三次镦拔：(d)换向三次镦拔 Fig.1 Schematic diagram of deformation modes:(a)uniaxial one time:(b)uniaxial twice:(c)uniaxial 3 times:(d)cross upsetting and strete- hing 3 times 2结果及分析 然有改善，但仍然具有一定的取向性，特别是α相的 分布：而经过二次镦拔以及两种方式三次镦拔后基本 2.1镦拔变形方式对合金组织的影响 消除了晶粒的方向性. 图2为改锻前原始Ti6Al-4V合金棒材组织.图 固溶处理后的试样组织变为双态组织，组织更为 中黑色的块状为α相，白色块状为B转变组织，细条 清晰，a与B相界更为明显.由于930℃仍是Ti6A- 为线状的β相.可以看到原始棒材的组织为典型拉长 4V的两相区，所以可以看到较大的原始α相，原始α 的α相、细条状的B相以及两相交替排列的B转变组 相在固溶过程中，未完全发生相变，α相发生明显的长 织，组织整体上呈现了一定的方向性，各种形态的两相 大.经过固溶处理后，试样中B转变组织发生了很大 分布不连续，呈现了很大的不均匀性 的变化：轴向一次镦拔试样中α相发生等轴化和长大 表1为不同镦拔方式后Ti6A-4V的组织.由图 现象，B转变组织中的α相也在高温下发生球化和长 可见，锻后组织为近等轴组织，大大改善了原始棒材中 大，体系中少量剩余B相呈网状分布于B转变组织中 组织的不均匀性.不同方式锻造后的组织都是由相 的α相附近；二次镦拔、轴向三次镦拔和换向三次镦 和B转变组织组成，一次镦拔后的组织较原始组织虽 拔试样经过固溶处理后等轴初生α相和长条相均
工程科学学报，第 37 卷，第 2 期 发动机的风扇盘及飞机的结构承力件［4］． 目前，国内 外对于钛合金热加工变形过程的变形行为、组织演化 以及组织和性能的关联性等进行了大量深入的研 究［5 － 7］，而且传统热强钛合金和高强钛合金的组织性 能控制已趋于成熟． 但是，随着军工及民用构件要求 的不断提高，钛合金构件，尤其是转动件的组织均匀性 与取向均匀性的关联性及其与无损检测信号响应间的 关联性成为近年来钛合金工艺优化的热点，也成为工 程应用领域亟待解决的问题． 近年来，已有一定量关于双相钛合金在两相区进 行热变形时取向变化基本规律的研究报道． Germain 等［8］的研究表明，Ti--6Al--4V 合金变形过程中再结晶 新形核的晶粒与原晶粒的取向一致，至少是在基面一 致，体现了材料织构在变形过程中的遗传性; Glavicic 等［9］认为，双相钛合金中的两相虽然存在 Burgers 关 系，但是 12 种对应的 α 取向关系并不等值出现; 而 Zhu 等［10］则认为材料织构的类型比材料织构的强度 对材料性能的影响更大． 此外，双相钛合金在锻造过 程中会生成很强的局部织构区域，形成“广域”［11］，这 种“广域”是锻件产生局部裂纹的重要原因． 工程实践 表明，两相区锻造获得的双相组织钛合金塑性和强度 都有很大的提高［12］，并且换向锻造可以明显改善材料 内部的取向性［13］，降低了各向异性能． 上述研究在一定程度上分析了双相钛合金变形过 程组织及取向的变化规律，研究结果对热加工工艺的 不断改进具有重要作用． 实际工程应用中，钛合金棒 坯一般需经空气锤或快锻水压机进行改锻，旨在提高 锻坯的组织及取向均匀性，但工艺制定大多依据经验 累积． 本文以 Ti--6Al--4V 双相合金为研究对象，针对 工程普遍应用的空气锤改锻过程，系统分析锻造工艺 方式改变对这种快速成形过程组织演化及取向分布的 影响规律，为进一步锤上坯料改锻工艺优化提供依据． 1 实验材料及方法 实验用材料为经锻造开坯的 Ti--6Al--4V 合金，尺 寸为 30 mm × 60 mm． 将实验材料在箱式电阻炉加热 至 950 ℃保温30 min，然后在空气锤锻机上进行不同方 式锻造变形． 包括轴向一次镦拔、轴向两次镦拔、轴向 三次镦拔以及换向三次镦拔加工，每次变形量均为 40% ． 具体变形方式见图 1． 锻造结束后，对上述样品 在电阻炉内进行热处理． 具体规范为: 930 ℃ 保温 60 min，空冷; 550 ℃保温 240 min，空冷． 将热处理后的样 品切割成组织分析样品及背散射衍射分析样品，在 Ultra55 扫描电镜下进行组织及取向的系统分析． 图 1 变形方式示意图． ( a) 轴向一次镦拔; ( b) 轴向二次镦拔; ( c) 轴向三次镦拔; ( d) 换向三次镦拔 Fig． 1 Schematic diagram of deformation modes: ( a) uniaxial one time; ( b) uniaxial twice; ( c) uniaxial 3 times; ( d) cross upsetting and stretching 3 times 2 结果及分析 2. 1 镦拔变形方式对合金组织的影响 图 2 为改锻前原始 Ti--6Al--4V 合金棒材组织． 图 中黑色的块状为 α 相，白色块状为 β 转变组织，细条 为线状的 β 相． 可以看到原始棒材的组织为典型拉长 的 α 相、细条状的 β 相以及两相交替排列的 β 转变组 织，组织整体上呈现了一定的方向性，各种形态的两相 分布不连续，呈现了很大的不均匀性． 表 1 为不同镦拔方式后 Ti--6Al--4V 的组织． 由图 可见，锻后组织为近等轴组织，大大改善了原始棒材中 组织的不均匀性． 不同方式锻造后的组织都是由 α 相 和 β 转变组织组成，一次镦拔后的组织较原始组织虽 然有改善，但仍然具有一定的取向性，特别是 α 相的 分布; 而经过二次镦拔以及两种方式三次镦拔后基本 消除了晶粒的方向性． 固溶处理后的试样组织变为双态组织，组织更为 清晰，α 与 β 相界更为明显． 由于 930 ℃ 仍是 Ti--6Al-- 4V 的两相区，所以可以看到较大的原始 α 相，原始 α 相在固溶过程中，未完全发生相变，α 相发生明显的长 大． 经过固溶处理后，试样中 β 转变组织发生了很大 的变化: 轴向一次镦拔试样中 α 相发生等轴化和长大 现象，β 转变组织中的 α 相也在高温下发生球化和长 大，体系中少量剩余 β 相呈网状分布于 β 转变组织中 的 α 相附近; 二次镦拔、轴向三次镦拔和换向三次镦 拔试样经过固溶处理后等轴初生 α 相和长条 α 相均 · 212 ·
李伟等：不同锤锻方式下Ti6Al一4V合金组织及取向演变 213 50L 50m 图2改锻前T下6A一4V合金的组织.(a)棒材心部：(b)棒材边缘 Fig.2 Typical microstructures of Ti-6Al-4V alloy before forging:(a)center of the bar:(b)edge of the bar 表1不同辙拔方式下-6A-4V合金的组织 Table 1 Microstructures of Ti-6Al-4V alloy under different upsetting and stretching modes 方式 锻后组织 周溶处理后组织 时效处理后组织 单向 一次 鐵拔 单向 二次 傚拔 单向 三次 d d 换向 三次 饿拔 50 发生球化长大，β转变组织较一次镦拔略有减少，且内 本上都是初生α+晶间B的双态组织，其相界更为 部的再生α相较为明显 突出，试样中α相发生进一步的等轴化以及长大，与 将固溶后的试样在550℃时效处理4h后，组织基 时效前的组织最大差别在于B转变组织有少量的增
李 伟等: 不同锤锻方式下 Ti--6Al--4V 合金组织及取向演变 图 2 改锻前 Ti--6Al--4V 合金的组织． ( a) 棒材心部; ( b) 棒材边缘 Fig． 2 Typical microstructures of Ti--6Al--4V alloy before forging: ( a) center of the bar; ( b) edge of the bar 表 1 不同镦拔方式下 Ti--6Al--4V 合金的组织 Table 1 Microstructures of Ti--6Al--4V alloy under different upsetting and stretching modes 发生球化长大，β 转变组织较一次镦拔略有减少，且内 部的再生 α 相较为明显． 将固溶后的试样在 550 ℃时效处理 4 h 后，组织基 本上都是初生 α + 晶间 β 的双态组织［14］，其相界更为 突出，试样中 α 相发生进一步的等轴化以及长大，与 时效前的组织最大差别在于 β 转变组织有少量的增 · 312 ·
·214 工程科学学报，第37卷，第2期 加，这在二次镦拔以及三次镦拔的组织中表现的更为 系内提供α相发生再结晶的驱动力最小，故一次辙拔 明显；一次镦拔的阝网状结构依然存在，二次镦拔局 试样中多数α相发生了形核，但仍然保持较小的晶粒 部组织取向性未能完全消除，而两种方式的三次镦拔 度.随着变形量增加，形变能也相应增加，为α相的进一 不仅取向性完全消除，而且组织基本达到了稳定. 步形核以及长大提供了足够能量，体系内大尺寸的等轴α 由于固溶温度较高，试样中α稳定元素和B稳定 相比例增加，初生α相和次生α相已经难以分辨 元素都会发生长程扩散和重新分布，使得α相和B相 2.2墩拔方式对合金取向分布的影响 更为稳定，其界限也更加明显。随着固溶处理的进行， 2.2.1不同镦拔方式下T-61-4V合金的取向分布图 较长时间的高温为锻造组织中已经形成的较大晶粒尺 图3为T6A-4V原始材料以及不同镦拔方式下 寸的α相长大提供了足够能量，在一次镦拔中最为明 经固溶处理的Ti-6A14V合金取向分布图.可以看 显，初生α相发生明显长大.对比所有镦拔试样中B 出，在四组镦拔试样中，均发生了再结晶，晶粒发生明 转变组织可以发现，一次镦拔试样由于变形量最小，体 显细化，并很好地改善组织的取向性 a (b) d e 0001 0110 20m 1230 图3不同镦拔方式下的Ti6A4V合金取向分布图.(a)原始态：()轴向一次镦拔：(c)轴向二次缴拔：(d)轴向三次徵拔：()换向三次辙拔 Fig.3 Inverse pole figures of Ti-6Al-4V alloy under different upsetting and stretching modes:(a)original:(b)uniaxial 1 time:(c)uniaxial twice:(d)uniaxial 3 times:(e)cross upsetting and stretching 3 times 原始晶粒呈等轴晶，在一次镦拔试样中，由于变形 2.2.2不同镦拔方式下Ti-6A4V合金中α相织构 程度小，大部分晶粒呈等轴状分布，大尺寸的晶粒为镦 图4显示了不同状态下Ti6A14V合金a相取向 拔期间未发生相变的初生《相，小尺寸的晶粒是在镦 拔过程中形核长大的，可以看到小晶粒都分布在大晶 30 粒的周围，因为晶界是优先的形核点，整个体系内取向 差异比较大，α相的取向较为分散.与一次徽拔试样 33 相比，二次镦拔试样中初生相发生明显长大，同时 2 体系内存在大量尺寸约1μm的α相聚集在大尺寸α 15 相附近，α相有沿一定方向拉长的趋势，且取向由 0001)方向偏向4210》方向.轴向三次镦拔试样中《 相晶粒拉长的趋势更加明显，初生α相的尺寸在所有 镦拔试样中最大，且大部分晶粒取向集中于4210〉方 向，与此同时，在大晶粒的晶界附近弥散分布着一系列 原始 轴向 向 h 次墩拔 次拔 次拔 次拔 取向相近的小晶粒.换向三次镦拔试样表现出与二次 徵拔方式 镦拔试样类似的形态和取向分布，试样中存在大量小 图4不同缴拔方式下Ti6A4V合金c相极密度 晶粒呈团簇状分布在大晶粒周围，部分再结晶晶粒发 Fig.4 Densities of a phase in Ti-6Al-4V alloy under different forg- 生长大. ing modes
工程科学学报，第 37 卷，第 2 期 加，这在二次镦拔以及三次镦拔的组织中表现的更为 明显; 一次镦拔的 β 网状结构依然存在，二次镦拔局 部组织取向性未能完全消除，而两种方式的三次镦拔 不仅取向性完全消除，而且组织基本达到了稳定． 由于固溶温度较高，试样中 α 稳定元素和 β 稳定 元素都会发生长程扩散和重新分布，使得 α 相和 β 相 更为稳定，其界限也更加明显． 随着固溶处理的进行， 较长时间的高温为锻造组织中已经形成的较大晶粒尺 寸的 α 相长大提供了足够能量，在一次镦拔中最为明 显，初生 α 相发生明显长大． 对比所有镦拔试样中 β 转变组织可以发现，一次镦拔试样由于变形量最小，体 系内提供 α 相发生再结晶的驱动力最小，故一次镦拔 试样中多数 α 相发生了形核，但仍然保持较小的晶粒 度． 随着变形量增加，形变能也相应增加，为 α 相的进一 步形核以及长大提供了足够能量，体系内大尺寸的等轴 α 相比例增加，初生 α 相和次生 α 相已经难以分辨． 2. 2 镦拔方式对合金取向分布的影响 2. 2. 1 不同镦拔方式下 Ti--6Al--4V 合金的取向分布图 图 3 为 Ti--6Al--4V 原始材料以及不同镦拔方式下 经固溶处理的 Ti--6Al--4V 合金取向分布图． 可以看 出，在四组镦拔试样中，均发生了再结晶，晶粒发生明 显细化，并很好地改善组织的取向性． 图3 不同镦拔方式下的 Ti--6Al--4V 合金取向分布图． ( a) 原始态; ( b) 轴向一次镦拔; ( c) 轴向二次镦拔; ( d) 轴向三次镦拔; ( e) 换向三次镦拔 Fig． 3 Inverse pole figures of Ti--6Al--4V alloy under different upsetting and stretching modes: ( a) original; ( b) uniaxial 1 time; ( c) uniaxial twice; ( d) uniaxial 3 times; ( e) cross upsetting and stretching 3 times 原始晶粒呈等轴晶，在一次镦拔试样中，由于变形 程度小，大部分晶粒呈等轴状分布，大尺寸的晶粒为镦 拔期间未发生相变的初生 α 相，小尺寸的晶粒是在镦 拔过程中形核长大的，可以看到小晶粒都分布在大晶 粒的周围，因为晶界是优先的形核点，整个体系内取向 差异比较大，α 相的取向较为分散． 与一次镦拔试样 相比，二次镦拔试样中初生 α 相发生明显长大，同时 体系内存在大量尺寸约 1 μm 的 α 相聚集在大尺寸 α 相附近，α 相 有 沿 一 定 方 向 拉 长 的 趋 势，且 取 向 由 〈0001〉方向偏向〈1210〉方向． 轴向三次镦拔试样中 α 相晶粒拉长的趋势更加明显，初生 α 相的尺寸在所有 镦拔试样中最大，且大部分晶粒取向集中于〈1210〉方 向，与此同时，在大晶粒的晶界附近弥散分布着一系列 取向相近的小晶粒． 换向三次镦拔试样表现出与二次 镦拔试样类似的形态和取向分布，试样中存在大量小 晶粒呈团簇状分布在大晶粒周围，部分再结晶晶粒发 生长大． 2. 2. 2 不同镦拔方式下 Ti--6Al--4V 合金中 α 相织构 图 4 不同镦拔方式下 Ti--6Al--4V 合金 α 相极密度 Fig． 4 Densities of α phase in Ti--6Al--4V alloy under different forging modes 图4 显示了不同状态下 Ti--6Al--4V 合金 α 相取向 · 412 ·
李伟等：不同锤锻方式下Ti6Al一4V合金组织及取向演变 215 强度.不难看出，随着累积变形量的增加，试样中α相 计算出不同状态下的取向.原始状态下α相的主织构 的最大织构强度有增加的趋势.这是由于直镦直拔试 方向分别为{000}(1120)，一次镦拔的α相主织构为 样内变形不均匀，α相有沿着某特定方向拉长变形的 212(1213),二次镦拔a相的主织构为{0111) 趋势，随着直镦直拔次数的增多，晶粒的取向也相对集 1325〉，轴向三次镦拔《相的主织构为{1123} 中，其织构强度增大.换向三次镦拔的织构强度与原 0111),换向三次镦拔α的主织构为{01133301). 始的强度差不多，比轴向三次镦拔的强度低很多，这可 除了主织构以外，还有些很强的织构：一次镦拔试 能是镦拔过程中累积变形量较大造成的. 样的织构组分有(p1,20°，p2)对应的219）和(p, 图5是不同状态下Ti-6Al-4V合金&相的 50°，P2)对应的4212〉纤维织构、(0°，中，0)对应的 {0002}极图和取向分布函数(ODF)图中三个欧拉角 4010)和(0°，重，30)对应的1120〉纤维织构，其中 (p,中，p2)的分布.根据六方结构旋转对称性原则， 前两者的织构强度较高，这些织构都有着一定程度的 截取p2=0°和P2=30°的分布图，由图中的数据可以 发散；二次镦拔试样的织构组分有(p1,20°，P2)对应 0002 D V中-90 -0 =30 40002 TD ,90 P-0 p,-30 0002 ⑥ V中90的 .-0 ,-30 10002 H 90 中=90 .-0 -30 p,90 TD V中90 .-00 p-30 图5不同徵拔方式下Ti6A4V合金中a相{0002}极图.(a)原始状态；(b)轴向一次辙拔：(c)轴向二次徵拔：(d)轴向三次镦拔：(c)换 向三次镦拔 Fig.5 {0002}pole figures of a phase in Ti-6Al-4V alloy under different upsetting and stretching modes:(a)original:(b)uniaxial one time: (c)uniaxial twice:(d)uniaxial 3 times:(e)cross upsetting and stretching 3 times
李 伟等: 不同锤锻方式下 Ti--6Al--4V 合金组织及取向演变 强度． 不难看出，随着累积变形量的增加，试样中 α 相 的最大织构强度有增加的趋势． 这是由于直镦直拔试 样内变形不均匀，α 相有沿着某特定方向拉长变形的 趋势，随着直镦直拔次数的增多，晶粒的取向也相对集 中，其织构强度增大． 换向三次镦拔的织构强度与原 始的强度差不多，比轴向三次镦拔的强度低很多，这可 能是镦拔过程中累积变形量较大造成的． 图 5 不同镦拔方式下 Ti--6Al--4V 合金中 α 相{ 0002} 极图． ( a) 原始状态; ( b) 轴向一次镦拔; ( c) 轴向二次镦拔; ( d) 轴向三次镦拔; ( e) 换 向三次镦拔 Fig． 5 { 0002} pole figures of α phase in Ti--6Al--4V alloy under different upsetting and stretching modes: ( a) original; ( b) uniaxial one time; ( c) uniaxial twice; ( d) uniaxial 3 times; ( e) cross upsetting and stretching 3 times 图 5 是 不 同 状 态 下 Ti--6Al--4V 合 金 α 相 的 { 0002} 极图和取向分布函数( ODF) 图中三个欧拉角 ( φ1，Φ，φ2 ) 的分布． 根据六方结构旋转对称性原则， 截取 φ2 = 0°和 φ2 = 30°的分布图，由图中的数据可以 计算出不同状态下的取向． 原始状态下 α 相的主织构 方向分别为{ 0001} 〈1120〉，一次镦拔的 α 相主织构为 {1212} 〈1213〉，二 次 镦 拔 α 相 的 主 织 构 为 { 0111 } 〈1325〉，轴 向 三 次 镦 拔 α 相 的 主 织 构 为 { 1123 } 〈0111〉，换向三次镦拔 α 的主织构为{ 0113} 〈3301〉． 除了主织构以外，还有些很强的织构: 一次镦拔试 样的织构组分有( φ1，20°，φ2 ) 对应的〈1219〉和( φ1， 50°，φ2 ) 对应的〈1212〉纤维织构、( 0°，Φ，0°) 对应的 〈1010〉和( 0°，Φ，30°) 对应的〈1120〉纤维织构，其中 前两者的织构强度较高，这些织构都有着一定程度的 发散; 二次镦拔试样的织构组分有( φ1，20°，φ2 ) 对应 · 512 ·
·216· 工程科学学报，第37卷，第2期 的1219〉、(e,90°，e2)对应的4210)和(p,60°， 22 30)对应的0111)纤维织构、(0°，中，0)对应的 20 4010〉纤维织构，其中0111)纤维织构最为明显：轴 向三次镦拔试样的织构组分有(p,45°，P2)对应的 4213)纤维织构：换向三次镦拔试样的织构组分有 (p,90°，p,)对应的1210》和(p,45°，30）对应的 14 0112〉纤维织构. 12 随着镦拔次数的增多，010〉和1120》纤维织构 组分所占比例逐渐减少，当镦拔次数达到三次后，该织 10 构组分基本消失219)纤维织构也有减弱的趋势， 原始 轴向一 轴向两 轴向三 换向 次敏拔 次墩拔 次徵拔 次墩拔 4212)纤维织构有增强的趋势，但织构方向随着镦拔 做拔方式 程度的增加而有所偏差，这是由于钛合金六方结构晶 图6不同缴拔方式下Ti6A4V合金B相极密度 格常数c轴与a轴比c/a<1.633,促进了孪生倾向，使 Fig.6 Densities of B phase of different forging modes 得柱面或者锥面滑移增强的：在二次镦拔和平面镦拔 中分别向0111)和0112)纤维织构发生转变，在三次 {100}极图.通过计算，可以知道不同的镦拔方式对应 镦拔中转变为4213)纤维织构，同时由于形变程度的 的不同的晶粒取向.原始状态下的B相主织构为 增加，织构取向发生明显的集中分布，发散性有明显的 {100011)和{011}322)：一次镦拔的B相主织构 减弱. 为{102必010〉和{211}24)：二次镦拔的B相主织 2.2.3不同镦拔方式下Ti6A1-4V合金中B相织构 构为{221}(012)：轴向三次镦拔的B相主织构为 从图6可以看出不同的镦拔方式明显减弱了初始 {11}(143),同时也存在{100(001)的织构：换向三 状态下织构的强度，但是不同的方式对比发现，没有明 次缴拔的B相主织构为{12}111)和10111) 显的趋势.可能的原因有：(1)因为B相与α相满足 2.3镦拔方式对Ti6A-4V合金组织均匀性及取向 Burgers关系，而双相钛合金中B相含量很少，其变形 分布的影响 受到α相的牵制：(2)镦拔的变形量较小，没有促成强 2.3.1不同镦拔方式下Ti-6A-4V合金的组织均匀 的织构形成，从图中的数值也可以看出 性分析 图7展示了不同镦拔方式下Ti6A-4V合金的 本实验中将钛合金加热到α+B两相区进行锻 RD 100 4100 100 D 100 TD TD d 图7不同镦拔方式下Ti6A4V合金B相{100}极图.(a)原始状态：(b)轴向一次辙拔：(c)轴向二次鐵拔：(d)轴向三次辙拔：()换向 三次镦拔 Fig.7 (100}Pole Figures of B phase under different upsetting and stretching modes.(a)Original:(b)uniaxial I time:(c)uniaxial twice:(d)u- niaxial 3 times;(e)cross upsetting and stretching 3 times
工程科学学报，第 37 卷，第 2 期 的〈1219〉、( φ1，90°，φ2 ) 对应的〈1210〉和( φ1，60°， 30°) 对 应的〈0111〉纤 维织 构、( 0°，Φ，0°) 对 应 的 〈1010〉纤维织构，其中〈0111〉纤维织构最为明显; 轴 向三次镦拔试样的织构组分有( φ1，45°，φ2 ) 对应的 〈1213〉纤维织 构; 换向三次镦拔试样的织构组分有 ( φ1，90°，φ2 ) 对应的〈1210〉和( φ1，45°，30°) 对应的 〈0112〉纤维织构． 随着镦拔次数的增多，〈1010〉和〈1120〉纤维织构 组分所占比例逐渐减少，当镦拔次数达到三次后，该织 构组分基本消失，〈1219〉纤维织构也有减弱的趋势， 〈1212〉纤维织构有增强的趋势，但织构方向随着镦拔 程度的增加而有所偏差，这是由于钛合金六方结构晶 格常数 c 轴与 a 轴比 c / a ＜ 1. 633，促进了孪生倾向，使 得柱面或者锥面滑移增强［15］; 在二次镦拔和平面镦拔 中分别向〈0111〉和〈0112〉纤维织构发生转变，在三次 镦拔中转变为〈1213〉纤维织构，同时由于形变程度的 增加，织构取向发生明显的集中分布，发散性有明显的 减弱． 图 7 不同镦拔方式下 Ti--6Al--4V 合金 β 相{ 100} 极图． ( a) 原始状态; ( b) 轴向一次镦拔; ( c) 轴向二次镦拔; ( d) 轴向三次镦拔; ( e) 换向 三次镦拔 Fig． 7 { 100} Pole Figures of β phase under different upsetting and stretching modes． ( a) Original; ( b) uniaxial 1 time; ( c) uniaxial twice; ( d) uniaxial 3 times; ( e) cross upsetting and stretching 3 times 2. 2. 3 不同镦拔方式下 Ti--6Al--4V 合金中 β 相织构 从图 6 可以看出不同的镦拔方式明显减弱了初始 状态下织构的强度，但是不同的方式对比发现，没有明 显的趋势． 可能的原因有: ( 1) 因为 β 相与 α 相满足 Burgers 关系，而双相钛合金中 β 相含量很少，其变形 受到 α 相的牵制; ( 2) 镦拔的变形量较小，没有促成强 的织构形成，从图中的数值也可以看出． 图 7 展示了不同镦拔方式下 Ti--6Al--4V 合金的 图 6 不同镦拔方式下 Ti--6Al--4V 合金 β 相极密度 Fig． 6 Densities of β phase of different forging modes { 100} 极图． 通过计算，可以知道不同的镦拔方式对应 的不同 的 晶 粒 取 向． 原 始 状 态 下 的 β 相 主 织 构 为 { 100} 〈011〉和{ 011} 〈322〉; 一次镦拔的 β 相主织构 为{ 102} 〈010〉和{ 211} 〈124〉; 二次镦拔的 β 相主织 构为{ 221} 〈012〉; 轴向三次镦拔的 β 相 主织 构 为 { 111} 〈143〉，同时也存在{ 100} 〈001〉的织构; 换向三 次镦拔的 β 相主织构为{ 121} 〈111〉和{110} 〈111〉． 2. 3 镦拔方式对 Ti--6Al--4V 合金组织均匀性及取向 分布的影响 2. 3. 1 不同镦拔方式下 Ti--6Al--4V 合金的组织均匀 性分析 本实验中将钛合金加热到 α + β 两相区进行锻 · 612 ·
李伟等：不同锤锻方式下Ti6Al一4V合金组织及取向演变 217 造，锻造变形的同时发生动态回复再结晶.经过不同 中可以看到：不同变形方式的硬度值差别不大，平均值 的锻造方式变形后的组织存在明显的方向性，特别是 在39.0~39.6HRC之间，说明组织及取向对于硬度平 B相和α相都沿着变形的方向被拉长，组织存在很大 均值的影响效果较小：但从原始状态到到轴向以及换 的不均匀性：随后的高温固溶处理，残余的B相含量 向三次镦拔，硬度值的标准差越来越来越小，说明组织 明显增多，并且片层状明显变宽，这个过程主要是使合 或者取向是越来越均匀的 金的组织发生动态回复，晶粒的长大过程：之后在两相 40.4 区进行保温热处理，为了是让B相向α相转变，直至 40.2 达到一个平衡态 40.0 39.8 2.3.2不同镦拔方式下Ti6A4V合金的取向均匀 39.6 性分析 394 39.2 根据经典的滑移系开动理论，在钛合金的塑性变 39.0 形过程中，实现协调晶粒的宏观变形至少需要五个相 38.8 对独立的滑移系同时开动，这样塑性变形才能连续进 38.6 38.4 行，而各滑移系是否发生开动受其临界剪切应力的影 38.2 响a.在室温条件下，钛合金的柱面滑移和基面滑移 原始态 轴向 轴向二 轴向三换向三 次做拔次镦拔 次缴拔次撒拔 是主要滑移系，在高温条件下还会出现一些锥面滑移 微拔方式 系，在塑性变形过程中，晶粒滑移系的开动会根据 图8不同缴拔方式Ti6A4V合金硬度 Schmid因子的不同而有所差异，首先发生开动的是临 Fig.8 Hardness of Ti-6Al-4V alloy under different upsetting and 界剪切应力较小、Schmid因子较大的滑移系.随着滑 stretching modes 移的进行，晶粒的取向发生一定的改变，晶粒与相邻晶 粒的应变不连续性也不断增加，晶粒的滑移和转动使 3 结论 得晶粒之间发生了附加应力，晶粒的应变状态发生改 (1)对于不同的锤锻工艺，镦拔的次数以及方式 变，进而实现了晶粒的连续变形 对组织的影响很明显，特别是对晶粒的细化作用，综合 在变形过程中，双相钛合金的α相和B相满足 组织、取向以及力学性能规律，三轴向次镦拔以及换向 Burgers关系： 三次镦拔的方式最佳. {0001}.∥{110}。1120).∥111)。 (2)对于不同的锤锻工艺，一次镦拔的织构强度 由于新相与母相存在一定的遗传性，变形过程是一个 最低，强度随着镦拔次数的增多而呈折线变化，但是织 动态回复再结晶的过程，首先滑移开动的是阻力较小 构组分更分散，虽然{0001}面织构得到抑制，但是 的{0001}基面滑移，新晶粒形成后依然随着母相发生 {1010}、{1120}等柱面织构与{1123}、{0111}等锥面 {0001}面的滑移，随着变形中累积的能量越大，位错 织构出现，大大降低了织构的集中性取向：随着墩拔次 运动的障碍力减小，{1120}等柱面系统也发生了滑 数的增多，晶粒取向的遗传性越来越弱，取向分布的均 移，柱面滑移并不会改变晶粒的取向，仅是使得晶粒绕 匀性更好 着c轴发生转动.随着变形次数增多，局部温度可能 超过变形温度，降低了212}等锥面系统滑移的临界 参：考文献 剪切应力，使得锥面滑移得以开动，而锥面滑移将会促 0] Xu G D,Wang F E.Development and application on high-em- 使晶粒基面由原始方向向轴向垂直方向发生倾斜，此 perature Ti-based alloys.Chin J Rare Met,2008,32(6):774 时各滑移系的应力状态也随之发生了改变，这样基面 (许国栋，王凤娥.高温钛合金的发展和应用.稀有金属， 滑移系统得到抑制，使得晶粒基面垂直于压应力方向， 2008,32(6):774) Fu YY,Song Y Q,Hui S X,et al.Research and Application of 故在四组镦拔试样中出现的织构基本都是柱面织构和 typical aerospace titanium alloys.Chin J Rare Met,2006,30 锥面织构，同时经过固溶和时效处理，试样晶粒发生重 (6):850 新形核和长大，形成再结晶织构，其织构组分与原形变 (付艳艳，宋月清，惠松骁，等.航空用钛合金的研究与应用 织构相似，同时随着镦拔次数的增多以及再结晶的进 进展.稀有金属，2006,30(6)：850) 行，特定取向的晶粒发生优先生长，体系锥面织构不断 3]Zhao YQ.Current situation and development trend of titanium al- 加强刀 loys.Mater China,2010,29(5)1 (赵永庆.国内外钛合金研究的发展现状及趋势.中国材料进 2.4不同辙拔方式Ti6Al4V合金的力学性能 展，2010,29(5)：1) 图8是不同镦拔方式下合金的硬度测试结果.从 [4]Peng Y P,Zeng FC.Wang JJ,et al.Development,application 锻件上随机选取九个点，取平均值，并做标准差.从图 and feature of titanium alloys in foreign aviation industry.J Mater
李 伟等: 不同锤锻方式下 Ti--6Al--4V 合金组织及取向演变 造，锻造变形的同时发生动态回复再结晶． 经过不同 的锻造方式变形后的组织存在明显的方向性，特别是 β 相和 α 相都沿着变形的方向被拉长，组织存在很大 的不均匀性; 随后的高温固溶处理，残余的 β 相含量 明显增多，并且片层状明显变宽，这个过程主要是使合 金的组织发生动态回复，晶粒的长大过程; 之后在两相 区进行保温热处理，为了是让 β 相向 α 相转变，直至 达到一个平衡态． 2. 3. 2 不同镦拔方式下 Ti--6Al--4V 合金的取向均匀 性分析 根据经典的滑移系开动理论，在钛合金的塑性变 形过程中，实现协调晶粒的宏观变形至少需要五个相 对独立的滑移系同时开动，这样塑性变形才能连续进 行，而各滑移系是否发生开动受其临界剪切应力的影 响［16］． 在室温条件下，钛合金的柱面滑移和基面滑移 是主要滑移系，在高温条件下还会出现一些锥面滑移 系，在塑 性 变 形 过 程 中，晶粒滑移系的开动会根据 Schmid 因子的不同而有所差异，首先发生开动的是临 界剪切应力较小、Schmid 因子较大的滑移系． 随着滑 移的进行，晶粒的取向发生一定的改变，晶粒与相邻晶 粒的应变不连续性也不断增加，晶粒的滑移和转动使 得晶粒之间发生了附加应力，晶粒的应变状态发生改 变，进而实现了晶粒的连续变形． 在变形过程中，双相钛合金的 α 相和 β 相满足 Burgers 关系: { 0001} α∥{ 110} β ，〈1120〉α∥〈111〉β ． 由于新相与母相存在一定的遗传性，变形过程是一个 动态回复再结晶的过程，首先滑移开动的是阻力较小 的{ 0001} 基面滑移，新晶粒形成后依然随着母相发生 { 0001} 面的滑移，随着变形中累积的能量越大，位错 运动的障碍力减小，{ 1120} 等柱面系统也发生了滑 移，柱面滑移并不会改变晶粒的取向，仅是使得晶粒绕 着 c 轴发生转动． 随着变形次数增多，局部温度可能 超过变形温度，降低了{1212} 等锥面系统滑移的临界 剪切应力，使得锥面滑移得以开动，而锥面滑移将会促 使晶粒基面由原始方向向轴向垂直方向发生倾斜，此 时各滑移系的应力状态也随之发生了改变，这样基面 滑移系统得到抑制，使得晶粒基面垂直于压应力方向， 故在四组镦拔试样中出现的织构基本都是柱面织构和 锥面织构，同时经过固溶和时效处理，试样晶粒发生重 新形核和长大，形成再结晶织构，其织构组分与原形变 织构相似，同时随着镦拔次数的增多以及再结晶的进 行，特定取向的晶粒发生优先生长，体系锥面织构不断 加强［17］． 2. 4 不同镦拔方式 Ti--6Al--4V 合金的力学性能 图 8 是不同镦拔方式下合金的硬度测试结果． 从 锻件上随机选取九个点，取平均值，并做标准差． 从图 中可以看到: 不同变形方式的硬度值差别不大，平均值 在 39. 0 ～ 39. 6 HＲC 之间，说明组织及取向对于硬度平 均值的影响效果较小; 但从原始状态到到轴向以及换 向三次镦拔，硬度值的标准差越来越来越小，说明组织 或者取向是越来越均匀的． 图 8 不同镦拔方式 Ti--6Al--4V 合金硬度 Fig． 8 Hardness of Ti--6Al--4V alloy under different upsetting and stretching modes 3 结论 ( 1) 对于不同的锤锻工艺，镦拔的次数以及方式 对组织的影响很明显，特别是对晶粒的细化作用，综合 组织、取向以及力学性能规律，三轴向次镦拔以及换向 三次镦拔的方式最佳． ( 2) 对于不同的锤锻工艺，一次镦拔的织构强度 最低，强度随着镦拔次数的增多而呈折线变化，但是织 构组分 更 分 散，虽 然{ 0001 } 面 织 构 得 到 抑 制，但 是 { 1010} 、{ 1120} 等柱面织构与{ 1123} 、{ 0111} 等锥面 织构出现，大大降低了织构的集中性取向; 随着镦拔次 数的增多，晶粒取向的遗传性越来越弱，取向分布的均 匀性更好． 参 考 文 献 ［1］ Xu G D，Wang F E． Development and application on high-temperature Ti-based alloys． Chin J Ｒare Met，2008，32( 6) : 774 ( 许国栋，王凤娥． 高温钛合金的发展和应用． 稀 有 金 属， 2008，32( 6) : 774) ［2］ Fu Y Y，Song Y Q，Hui S X，et al． Ｒesearch and Application of typical aerospace titanium alloys． Chin J Ｒare Met，2006，30 ( 6) : 850 ( 付艳艳，宋月清，惠松骁，等． 航空用钛合金的研究与应用 进展． 稀有金属，2006，30( 6) : 850) ［3］ Zhao Y Q． Current situation and development trend of titanium alloys． Mater China，2010，29( 5) : 1 ( 赵永庆． 国内外钛合金研究的发展现状及趋势． 中国材料进 展，2010，29( 5) : 1) ［4］ Peng Y P，Zeng F C，Wang J J，et al． Development，application and feature of titanium alloys in foreign aviation industry． J Mater · 712 ·
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