D01:10.13374/i.issnl00103x.2010.09.010 第32卷第9期 北京科技大学学报 Vo132N99 2010年9月 Journal ofUniversity of Science and Techno pgy Beijing Se2010 粉末冶金TiA基合金高温变形行为 路新12 王述超) 朱鸿民)曲选辉) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 摘要采用等温压缩试验，在变形温度为600~1050℃.应变速率为0002~0.2s的条件下，研究了粉末治金T-475A上 25V-10C哈金的高温压缩性能与高温变形行为.结果表明：合金在高温压缩变形时，屈服强度随变形温度的升高，应变速 率的降低而降低，塑性趋于升高.合金在高温塑性变形时，峰值流变应力、应变速率和变形温度之间较好地满足双曲正弦函数 形式修正的Ahmu关系，说明其变形受热激活控制.在800~1050℃/0002~02范围内，合金应变敏感系数m为 0152高温变形激活能Q为376kJmo叶1. 关键词TA基合金：金属间化合物：粉末治金：高温性能：变形行为：变形激活能 分类号TG1462 H igh temperature defommaton behavior of powder m etallurgy TiAlbased alloys II Xn2).WANG Shu chao).ZHU Hong mi QU Xuan-hus 1)SchoolofMe llugcal and Ecobgical Engneering University of Science and Techokgy Beijing Beijng 10083 Chim 2)SchoolofMaterals Scince and Engneerng University of Science and Technokgy Beijing Beijng 10083 Chim ABSTRACT The h gh emperature mechan ical properties and defom ation behav ior of powder menllrgy Ti47.5A 12.5V-1 0Cr al loy were ivestigated in a temperaure range of600 1050'C and a strain rate aange of0 002 Do 2 s1.The esults show hat during the hot defomation the yield strengh of the TAl based alpy decreases whereas the ductility tends to rise w ih nceeasng depmation temperaure and decreasng strain rate The nterre ations of peak flow stress strain rat and depmatpn temperature can be described by Amhenus'equation mod ifed by a hyperbolie sne functon which indicates that the hot compessian depmaton is contolled by themal activatpn Under the depmation cond ition of800 1050C/0 002 to0 2s1,the strain sensitivity of he alloy is0 152 whereas the defomation activaton energy ofh gh temperature de fomaton is 376 kj mor. KEY WORDS TAl based alpys intemeallics powdermetalurgy high temperaure properties defom ation activation energy TA基金属间化合物密度小，有较高的使用温 面和深入，但有关粉末治金工艺制备TA基合金高 度、高温强度和弹性模量，以及较好的抗氧化性能、 温性能的研究工作仍然较少，因而，进行粉末治金 抗蠕变性能等诸多优点，因而在航空、航天以及汽车 TA哈金高温性能和高温变形行为的研究工作是十 等领域被视为是最有希望的新一代轻质高温合 分必要的，对于改进和完善粉末治金制备工艺以及 金.近年来，随着研究的不断深入，在改善合金 推进合金的实用化进程都具有重要意义， 室温塑性方面的工作已取得了一些有效进展 本研究选择粉末治金方法制备的具有全层片 TA基合金作为高温结构材料，除了要求具有良好 (F组织类型的TA基合金作为研究对象，进行了 的室温强度和塑性以外，其高温强度和塑性更是决 高温热模拟压缩试验，研究了粉末治金TA基合金 定材料成败的关键表征参数.目前，有关铸态TA1 的高温压缩性能，以及应变速率与变形温度对合金 基合金的高温性能及其变形行为的研究相对较为全 高温力学性能与变形行为的影响规律. 收稿日期：2009-11一02 基金项目：高等学校科技创新工程重大资助项目(N9①4008：新世纪优秀人才资助项目(N0NET-04-01017) 作者简介：路新(197少），女，博士后，Ema1x@mater usb edy cn
第 32卷 第 9期 2010年 9月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.9 Sep.2010 粉末冶金 TiAl基合金高温变形行为 路 新 1, 2) 王述超 1 ) 朱鸿民 2) 曲选辉 1) 1) 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 2) 北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083 摘 要 采用等温压缩试验, 在变形温度为 600 ～ 1 050℃、应变速率为 0.002 ～ 0.2 s-1的条件下, 研究了粉末冶金Ti--47.5Al- 2.5V--1.0Cr合金的高温压缩性能与高温变形行为.结果表明:合金在高温压缩变形时, 屈服强度随变形温度的升高、应变速 率的降低而降低, 塑性趋于升高.合金在高温塑性变形时, 峰值流变应力、应变速率和变形温度之间较好地满足双曲正弦函数 形式修正的 Arrhenius关系, 说明其变形受热激活控制.在 800 ～ 1 050 ℃/0.002 ～ 0.2s-1范围内, 合金应变敏感系数 m为 0.152, 高温变形激活能 Q为 376kJ·mol-1. 关键词 TiAl基合金;金属间化合物;粉末冶金;高温性能;变形行为;变形激活能 分类号 TG146.2 HightemperaturedeformationbehaviorofpowdermetallurgyTiAlbasedalloys LUXin1, 2) , WANGShu-chao1) , ZHUHong-min2) , QUXuan-hui1) 1) SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing10083, China 2) SchoolofMaterialsScienceandEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing10083, China ABSTRACT ThehightemperaturemechanicalpropertiesanddeformationbehaviorofpowdermetallurgyTi-47.5Al-2.5V-1.0Cralloywereinvestigatedinatemperaturerangeof600 to1050℃ andastrainraterangeof0.002 to0.2s-1.Theresultsshowthatduring thehotdeformationtheyieldstrengthoftheTiAlbasedalloydecreases, whereastheductilitytendstorisewithincreasingdeformation temperatureanddecreasingstrainrate.Theinterrelationsofpeakflowstress, strainrateanddeformationtemperaturecanbedescribed byArrhenius'equationmodifiedbyahyperbolicsinefunction, whichindicatesthatthehotcompressiondeformationiscontrolledby thermalactivation.Underthedeformationconditionof800 to1 050℃/0.002 to0.2s-1 , thestrainsensitivityofthealloyis0.152, whereasthedeformationactivationenergyofhightemperaturedeformationis376kJ·mol-1. KEYWORDS TiAlbasedalloys;intermetallics;powdermetallurgy;hightemperatureproperties;deformation;activationenergy 收稿日期:2009--11--02 基金项目:高等学校科技创新工程重大资助项目 (No.704008) ;新世纪优秀人才资助项目 ( No.NCET--04--01017) 作者简介:路 新 ( 1979— ), 女, 博士后, E-mail:luxin@mater.ustb.edu.cn TiAl基金属间化合物密度小, 有较高的使用温 度 、高温强度和弹性模量, 以及较好的抗氧化性能 、 抗蠕变性能等诸多优点, 因而在航空 、航天以及汽车 等领域被视为是最有希望的新一代轻质高温合 金 [ 1--2] .近年来, 随着研究的不断深入, 在改善合金 室温塑性方面的工作已取得了一些有效进展 [ 3--4] . TiAl基合金作为高温结构材料, 除了要求具有良好 的室温强度和塑性以外, 其高温强度和塑性更是决 定材料成败的关键表征参数.目前, 有关铸态 TiAl 基合金的高温性能及其变形行为的研究相对较为全 面和深入, 但有关粉末冶金工艺制备 TiAl基合金高 温性能的研究工作仍然较少 .因而, 进行粉末冶金 TiAl合金高温性能和高温变形行为的研究工作是十 分必要的, 对于改进和完善粉末冶金制备工艺以及 推进合金的实用化进程都具有重要意义 . 本研究选择粉末冶金方法制备的具有全层片 ( FL)组织类型的 TiAl基合金作为研究对象, 进行了 高温热模拟压缩试验, 研究了粉末冶金 TiAl基合金 的高温压缩性能, 以及应变速率与变形温度对合金 高温力学性能与变形行为的影响规律. DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.09.010
。1182 北京科技大学学报 第32卷 1试验方法 墨润滑剂，以减小摩擦避免试样的不均匀变形.变 形在空气中进行以10℃。s'的加热速度升温至试 试验所用原料为北京钢铁研究总院高温合金所 验温度.保温5m后开始压缩，直至试样压裂或是 提供的TF47.5A上25V-1.0C哈金粉末(-140 达到变形量后迅速水冷， 目).烧结在日本DR SNIERNG-1050放电等离 2结果与讨论 子烧结炉中进行，以100℃·mT的速度升温至 1200℃，保温5m后随炉冷却，烧结过程中外加轴 2.1高温压缩真应力真应变曲线 向压力为40MP?系统真空度为2Pa 前期研究工作表明？，以预合金粉末为原料， 将放电等离子烧结制备的TF47.5A上25V- 采用放电等离子烧结工艺，在烧结温度为1200℃时 1.0C块体合金材料加工成5my10m的压缩 所获得的TF47.5A上2.5V-1.0Cr哈金接近全致 试样，采用Gleeble-1500热模拟试验机进行压缩试 密，其组织类型为全层片组织，晶团平均尺寸为 验性能检测 240μ四层片间距平均为0.2μ四 选取试验温度分别为600.700.800.9001000 图1为不同试验条件下粉末治金T47.5A上 1050℃：名义应变速率为0.002002.0.2s:工程 25V-1.0C哈金的高温压缩真应力真应变曲线. 压缩变形量为70%~80%. 由图可以看出，合金的流变应力随变形温度的升高、 压缩前试样经过600金相砂纸打磨，然后用酒 应变速率的降低而逐渐降低，最大应变量则相应 精清洗并烘干.在圆柱试样的两端和压头上涂抹石 增加. 1200 1200(a (b) -600℃ 1000 700℃ 1000 7009℃ 800 8009℃ 800℃ 600 900℃ 400 900℃ 400 1000℃ 1000℃ 1050℃ 200 1050℃ 0.20.40.60.81.01.2 0.20.40.60.81.01.2 真应变 真应变 1200r 一700℃ 1000Y >800℃ 800 900℃ 600 1000℃ 400 1050℃ 200 0 0 020.40.6 0.81.01.2 真应变 图1不同试验条件下T基合金的压缩真应力-真应变曲线.（号0002~(h002s:(902~1 Fg 1 Compressive tue strestrue st in curves of the TAl based alky underdifferent canditions (a)0002 (b 002(g 0.2 在低应变速率条件下(e=0.002s),合金在 增加，加工硬化被动态回复所引起的软化过程所抵 600℃进行压缩变形时，随着变形量增加，晶粒内产 消，随后应变量继续增加，动态回复占主导作用，使 生的位错越来越多，位错间的交互作用增大了位错 材料发生软化.当变形温度在800℃以上，开始出 运动的阻力，致使流变应力不断增加，此时合金的变 现明显的流变软化现象，合金最大变形量大幅度提 形主要受到晶内位错滑移机制控制，加工硬化起主 高，可压缩至80%以上而不断裂.此时变形以位错 要作用.当合金在700℃变形时，流变应力达到峰 滑移和空位扩散协调下的晶界滑移为主，软化过程 值以后，缓慢出现少许降低.这是由于随变形量的 能够在较低应变量下与加工硬化接近平衡.随着变
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 1 试验方法 试验所用原料为北京钢铁研究总院高温合金所 提供的 Ti--47.5Al--2.5V--1.0Cr合金粉末 ( -140 目 ) .烧结在日本 DR.SINTERING--1050 放电等离 子烧结炉中进行, 以 100 ℃·min -1的速度升温至 1 200℃, 保温 5 min后随炉冷却, 烧结过程中外加轴 向压力为 40 MPa, 系统真空度为 2 Pa. 将放电等离子烧结制备的 Ti--47.5Al--2.5V-- 1.0Cr块体合金材料加工成 5 mm×10 mm的压缩 试样, 采用 Gleeble--1500热模拟试验机进行压缩试 验性能检测 . 选取试验温度分别为 600、700、800、900、1 000、 1 050 ℃;名义应变速率为 0.002、0.02、0.2 s -1;工程 压缩变形量为 70% ～ 80%. 压缩前试样经过 600 #金相砂纸打磨, 然后用酒 精清洗并烘干.在圆柱试样的两端和压头上涂抹石 墨润滑剂, 以减小摩擦避免试样的不均匀变形 .变 形在空气中进行, 以 10 ℃·s -1的加热速度升温至试 验温度.保温 5min后开始压缩, 直至试样压裂或是 达到变形量后迅速水冷 . 2 结果与讨论 2.1 高温压缩真应力--真应变曲线 前期研究工作表明 [ 5] , 以预合金粉末为原料, 采用放电等离子烧结工艺, 在烧结温度为 1200℃时 所获得的 Ti--47.5Al--2.5V--1.0Cr合金接近全致 密, 其组织类型为全层片组织, 晶团平均尺寸为 240 μm, 层片间距平均为 0.2 μm. 图 1 为不同试验条件下粉末冶金 Ti--47.5Al-- 2.5V--1.0Cr合金的高温压缩真应力--真应变曲线. 由图可以看出, 合金的流变应力随变形温度的升高、 应变速率的降低而逐渐降低, 最大应变量则相应 增加 . 图 1 不同试验条件下 TiAl基合金的压缩真应力--真应变曲线.( a) 0.002s-1;( b) 0.02s-1 ;( c) 0.2s-1 Fig.1 Compressivetruestress-truestraincurvesoftheTiAlbasedalloyunderdifferentconditions:( a) 0.002s-1 ;( b) 0.02s-1;( c) 0.2s-1 在低应变速率条件下 ( ε · =0.002 s -1 ), 合金在 600℃进行压缩变形时, 随着变形量增加, 晶粒内产 生的位错越来越多, 位错间的交互作用增大了位错 运动的阻力, 致使流变应力不断增加, 此时合金的变 形主要受到晶内位错滑移机制控制, 加工硬化起主 要作用 .当合金在 700 ℃变形时, 流变应力达到峰 值以后, 缓慢出现少许降低.这是由于随变形量的 增加, 加工硬化被动态回复所引起的软化过程所抵 消, 随后应变量继续增加, 动态回复占主导作用, 使 材料发生软化 .当变形温度在 800 ℃以上, 开始出 现明显的流变软化现象, 合金最大变形量大幅度提 高, 可压缩至 80%以上而不断裂.此时变形以位错 滑移和空位扩散协调下的晶界滑移为主, 软化过程 能够在较低应变量下与加工硬化接近平衡 .随着变 · 1182·
第9期 路新等：粉末冶金T4基合金高温变形行为 1183 形量的持续增加，回复没有释放的储存能达到一定 态再结晶等软化过程更易进行 程度后，发生动态再结晶，流变应力表现为在达到峰 表1表示TA基合金的高温压缩性能.由此可 值以后迅速下降，直到再结晶结束. 以看出，在相同的应变速率下，合金的压缩屈服强度 随着应变速率的升高，合金发生明显流变软化 随温度的升高而降低，塑性随温度的升高而迅速升 的形变温度逐渐提高.在e=0.2s'的条件下，形变 高.当变形温度低于800℃时，屈服强度随温度升 温度提高至900℃以上时，合金开始出现明显的流 高缓慢降低，压缩率增加：而当变形温度在合金脆韧 变软化.这主要由于合金的脆韧转变温度与应变速 转变温度以上时，屈服强度随温度升高迅速降低，同 率有关，应变速率提高，位错密度增加，位错运动受 时合金的塑性迅速提高，压缩最大变形量均可达到 阻，材料更易发生加工硬化.变形时间缩短使动态 80%.在脆韧转变温度以上，合金在力学性能上发 回复率降低，因此必须通过提高变形温度来增强材 生的明显变化是由于受热激活作用，1/2110>位 料的热激活作用，增大原子的平均动能，同时减小晶 错可动性提高，{111}和<112{111}系机 团产生滑移的临界分切应力，从而使动态回复和动 械挛晶变形的临界分切应力(RSS降低造成的. 表1TA基合金的高温压缩性能 Tab le High tmpera ture compressive properties of the Til based albys E=0002s1 e=002s-1 E=021 温度℃ a p/MPa d0.2/MPa Gp/MPa da2/MPa Eε% a p/MPa d02/MPa Ech 600 1146 590 29.7 一 一 700 978 564 524 1056 576 33.2 1091 599 254 800 800 516 89明 536 978 581 503 900 597 432 727 486 836 542 1000 433 334 568 411 687 493 1050 320 272 479 358 637 450 另外，合金的高温压缩性能对应变速率敏感， 为热力学温度：AA、A、α及B均为与变形温度无 在相同的变形温度下，其强度随应变速率的升高而 关的材料常数：与为应力指数，其中a、B和之 升高，而压缩最大变形量随应变速率的升高而降低， 间满足a=甲/的关系I9, 同时这种敏感程度随温度的升高而加剧.由于高温 另外由Zene和Holkman吲引入参数？来表示 下材料的变形受热激活作用，主要靠扩散和晶间滑 变形温度和应变速率对变形的影响. 动，而位错攀移过程对应变速率有较强的依赖关系， 所以提高应变速率会提高材料的强度，降低塑性， ZE exp(Q/RT)=AI sinh (aG)]"(4) 当形变温度越高，扩散的影响越严重，应变速率上升 假定TA基合金的峰值应力σp和应变速率e 时扩散来不及进行，限制了这类机理的发生，变为需 之间分别满足指数关系、幂指数关系和双曲正弦关 要更高应力的切面机理来实现，因而合金强度对应 系，即式(1)、式(2)和式(3).分别对以上三式两边 变速率的敏感程度随温度的升高而更加明显， 取自然对数，可以得到： 2.2高温变形本构方程的建立 e=n4十p6p (5) 材料的高温塑性变形是一个受热激活控制的过 程，根据加工硬化和动态软化的发生情况，其热变形 E=nA十Bop (6) 行为可用Ahmu咲系来描述？-9 Ire=InA+(-Q/RT)+n sinh(aop)](7) E=A。1 (1) 首先，将不同变形温度条件下合金的峰值流变 =A exp(Ba) 应力随应变速率变化情况分别代入式(5)式(6) (2) 中，可得到一p和一Gp的关系图（图2）， e=Ash(ao】"exp(-Q/RT (3) 进行一元线性回归处理，可由直线斜率分别得到常 式中，σ为流变应力：e为应变速率；Q为变形激活 数及β的平均值分别为13.2248和0.0194进而 能：R为摩尔气体常量，即为8.1345于mot1。K:T 可根据a=3/计算出参数a的值为0.0015
第 9期 路 新等:粉末冶金 TiAl基合金高温变形行为 形量的持续增加, 回复没有释放的储存能达到一定 程度后, 发生动态再结晶, 流变应力表现为在达到峰 值以后迅速下降, 直到再结晶结束. 随着应变速率的升高, 合金发生明显流变软化 的形变温度逐渐提高 .在 ε · =0.2 s -1的条件下, 形变 温度提高至 900 ℃以上时, 合金开始出现明显的流 变软化 .这主要由于合金的脆韧转变温度与应变速 率有关, 应变速率提高, 位错密度增加, 位错运动受 阻, 材料更易发生加工硬化.变形时间缩短使动态 回复率降低, 因此必须通过提高变形温度来增强材 料的热激活作用, 增大原子的平均动能, 同时减小晶 团产生滑移的临界分切应力, 从而使动态回复和动 态再结晶等软化过程更易进行. 表 1表示 TiAl基合金的高温压缩性能.由此可 以看出, 在相同的应变速率下, 合金的压缩屈服强度 随温度的升高而降低, 塑性随温度的升高而迅速升 高.当变形温度低于 800 ℃时, 屈服强度随温度升 高缓慢降低, 压缩率增加 ;而当变形温度在合金脆韧 转变温度以上时, 屈服强度随温度升高迅速降低, 同 时合金的塑性迅速提高, 压缩最大变形量均可达到 80%.在脆韧转变温度以上, 合金在力学性能上发 生的明显变化是由于受热激活作用, 1 /2 位 错可动性提高, {111}和 {111}系机 械挛晶变形的临界分切应力 ( CRSS)降低造成的 [ 6] . 表 1 TiAl基合金的高温压缩性能 Table1 HightemperaturecompressivepropertiesoftheTiAlbasedalloys 温度 /℃ ε · =0.002s-1 ε · =0.02s-1 ε · =0.2s-1 σp/MPa σ0.2 /MPa εc/% σp/MPa σ0.2 /MPa εc/% σp/MPa σ0.2 /MPa εc/% 600 1 146 590 29.7 — — — — — — 700 978 564 52.4 1 056 576 33.2 1 091 599 25.4 800 800 516 — 893 536 — 978 581 50.3 900 597 432 — 727 486 — 836 542 — 1 000 433 334 — 568 411 — 687 493 — 1 050 320 272 — 479 358 — 637 450 — 另外, 合金的高温压缩性能对应变速率敏感 . 在相同的变形温度下, 其强度随应变速率的升高而 升高, 而压缩最大变形量随应变速率的升高而降低, 同时这种敏感程度随温度的升高而加剧.由于高温 下材料的变形受热激活作用, 主要靠扩散和晶间滑 动, 而位错攀移过程对应变速率有较强的依赖关系, 所以提高应变速率会提高材料的强度, 降低塑性 . 当形变温度越高, 扩散的影响越严重, 应变速率上升 时扩散来不及进行, 限制了这类机理的发生, 变为需 要更高应力的切面机理来实现, 因而合金强度对应 变速率的敏感程度随温度的升高而更加明显. 2.2 高温变形本构方程的建立 材料的高温塑性变形是一个受热激活控制的过 程, 根据加工硬化和动态软化的发生情况, 其热变形 行为可用 Arrhenius关系来描述 [ 7--8] . ε · =A1 σ n1 ( 1) ε · =A2exp( βσ) ( 2) ε · =A[ sinh(ασ)] nexp( -Q/RT) ( 3) 式中, σ为流变应力 ;ε · 为应变速率 ;Q为变形激活 能 ;R为摩尔气体常量, 即为 8.134 5 J·mol -1 ·K -1 ;T 为热力学温度 ;A、A1 、A2 、α及 β均为与变形温度无 关的材料常数 ;n与 n1为应力指数, 其中 α、β和 n之 间满足 α=β /n的关系 [ 9] . 另外由 Zener和 Hollomon引入参数 Z, 来表示 变形温度和应变速率对变形的影响. Z=ε · exp( Q/RT) =A[ sinh( ασ) ] n ( 4) 假定 TiAl基合金的峰值应力 σp和应变速率 ε · 之间分别满足指数关系、幂指数关系和双曲正弦关 系, 即式 ( 1) 、式 ( 2)和式 ( 3) .分别对以上三式两边 取自然对数, 可以得到: lnε · =lnA1 +n1 lnσp ( 5) lnε · =lnA2 +βσp ( 6) lnε · =lnA+( -Q/RT) +nln[ sinh(ασp) ] ( 7) 首先, 将不同变形温度条件下合金的峰值流变 应力随应变速率变化情况分别代入式 ( 5) 、式 ( 6) 中, 可得到 lnε · -lnσp和 lnε · -σp的关系图 (图 2), 进行一元线性回归处理, 可由直线斜率分别得到常 数 n1及 β的平均值分别为 13.2248和 0.019 4, 进而 可根据 α=β /n计算出参数 α的值为 0.001 5. · 1183·
。1184 北京科技大学学报 第32卷 a -2 -2 -3 (-s/3u ■800℃ -5 ■800℃ 0900℃ o900℃ 61000℃ △1000℃ 71050℃ Y10509℃ 5.6 6.0 6.4 68 7.2 400 600 800 1000 In(o/MPa) G/MPa 图2合金峰值流变应力与应变速率的指数关系（与幂指数关系( Fig 2 Exponential rehtionship a and pover exponental rekationsh b of peak fow stess and stmin rate 由式(4)结合式(7)可得到激活能的表达式为： 应变速率变化情况分别代入式(7)中，可得到：一 Q-R alre 中sh(aop)]以及中sh(aop)]一1/T的关系 a年snh(aop)] T 图（图3）.由图中线性回归直线的斜率可求得常数 a中sh(aop] 1/① -Rnn (8) 与的平均值分别为9.8109和4.6873然后利 用式(8)可求得合金的高温变形激活能Q为 将不同变形温度条件下合金的峰值流变应力随 382 kJ moT'. -1 (a) y 0.8F -2 0.4 3外 -4 0 6 -5 ■8009℃ 0900℃ -0.4 ■0.002s- 6 00.02g1 △1000℃ △0.2s 71050℃ ■ -0.8 708 -0.4 0.4 0.8 0.750.800.850.900.95 Inlsinh(oaoj】 (10T-K1 图3合金蜂值应力应变速率与变形温度间双曲正弦函数关系.（两忙一1sh(ac,:(b1sh(as】一1/T Fig3 Hypetbo lic sne elaton of peak fow年stn rate and depmed mperture(号e一hh(aap)小：(Isnh(aap】- 1/T 由图2与图3中试验数据线性关系明显，表明 间的关系图，表2为TA基合金经过两次回归计算 合金在高温塑性变形时流变应力ō、应变速率e与 后所得到的较为精确的材料参数AQ四α和Q值， 变形温度T以间之间较好地满足Arhenjus关系，表 其中m为应变敏感系数(m=1/9. 表2T:47.5A上25V-10C哈金各材料参数精确值 明TF47.5A上2.5V-1.0C哈金的高温塑性变形过 Table2 Parmeter vakes of the Ti-47.5A-2 5V-1 0Cr albys 程确是一种类似高温蠕变的热激活过程. hA n m Q/kf mot! 之后，将求解出的Q值代入式(4)求出Z值，再 27.250 65800152 000295 376 由Z和op之间的双对数关系，即Z-h[sh (αo)]图中回归直线的斜率求出更为精确的值 将表2中材料各参数的数值代入式(3)中，可 (图4.然后代入a=B/中求出一个新的a值，再 以得到Ti-47.5AL25V-1.0C哈金高温压缩变形 代入式(8)中求解第2次Q值.如此进行迭代计 本构方程： 算，直到最后计算值时平均标准偏差最小.由此 E= 求得的材料常数令Pα和Q值更为真实可靠， 2.20[simh(0.00295G)]6s0cp(-376000/R①. 图4为经过两次迭代计算后峰值应力与Z参数之 以上分析表明，T47.5A上25V-1.0C哈金高
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 2 合金峰值流变应力与应变速率的指数关系( a)与幂指数关系 ( b) Fig.2 Exponentialrelationship(a) andpowerexponentialrelationship( b) ofpeakflowstressandstrainrate 由式 ( 4)结合式 ( 7)可得到激活能的表达式为: Q=R lnε · ln[ sinh(ασp) ] T · ln[ sinh(ασp)] ( 1 /T) ε · =Rnn2 ( 8) 将不同变形温度条件下合金的峰值流变应力随 应变速率变化情况分别代入式 ( 7)中, 可得到 lnε · - ln[ sinh( ασp) ] 以及 ln[ sinh( ασp) ] -1/T的关系 图 (图 3) .由图中线性回归直线的斜率可求得常数 n与 n2的平均值分别为 9.810 9和 4.687 3, 然后利 用式 ( 8 ) 可求得 合金的高 温变形 激活能 Q为 382 kJ·mol -1 . 图 3 合金峰值应力、应变速率与变形温度间双曲正弦函数关系.(a) lnε · -ln[ sinh( ασp ) ] ;( b) ln[ sinh( ασp ) ] -1 /T Fig.3 Hyperbolicsinerelationshipofpeakflowstress, strainrateanddeformedtemperature:( a) lnε · -ln[ sinh(ασp) ] ;( b) ln[ sinh( ασp)] - 1/T 由图 2与图 3 中试验数据线性关系明显, 表明 合金在高温塑性变形时流变应力 σ、应变速率 ε · 与 变形温度 T之间之间较好地满足 Arrhenius关系, 表 明 Ti--47.5Al--2.5V--1.0Cr合金的高温塑性变形过 程确是一种类似高温蠕变的热激活过程. 之后, 将求解出的 Q值代入式 ( 4)求出 Z值, 再 由 Z和 σp 之间的双对数关系, 即 lnZ-ln[ sinh ( ασp) ]图中回归直线的斜率求出更为精确的 n值 (图 4) .然后代入 α=β /n中求出一个新的 α值, 再 代入式 ( 8)中求解第 2次 Q值 .如此进行迭代计 算, 直到最后计算 n值时平均标准偏差最小.由此 求得的材料常数 A, n, α和 Q值更为真实可靠 [ 10] . 图 4为经过两次迭代计算后峰值应力与 Z参数之 间的关系图, 表 2为 TiAl基合金经过两次回归计算 后所得到的较为精确的材料参数 A、n、m、α和 Q值, 其中 m为应变敏感系数 ( m=1 /n) . 表 2 Ti--47.5Al--2.5V-1.0Cr合金各材料参数精确值 Table2 ParametervaluesoftheTi-47.5Al-2.5V- 1.0Cralloys lnA n m α Q/kJ·mol-1 27.250 6.580 0.152 0.002 95 376 将表 2 中材料各参数的数值代入式 ( 3)中, 可 以得到 Ti--47.5Al--2.5V--1.0Cr合金高温压缩变形 本构方程 : ε · = e 27.250 [ sinh( 0.002 95σ) ] 6.580 exp( -376 000/RT) . 以上分析表明, Ti--47.5Al--2.5V--1.0Cr合金高 · 1184·
第9期 路新等：粉末冶金T4基合金高温变形行为 1185 42 e= 21sih(0.00295o月6s0eP(-376000/Rm. 38 参考文献 [I]Km YW.Microstrcuml evolution and mechanical poopenties of a R=0.990 30 ◆ oged gmma titmim alum inide alloy Ac Metall Mater 1992 40(6片1121 【犭Km YW.Odered ingemell ic alby9Part3 Ganma tinam 260202 0.61.01.41.8 In sinh(co ) aiminides IM199446(7):30 [3 LiuC T Sche bel JH Mazinsz P J et al Tensike propenes and 图4峰值应力与乙参数之间的关系 fracte oughnes of TiAl albys with controlled micostuuctres Fg 4 Relatinship of peak flow stress and ZenetHollonon fc orZ Intemen llics 1996 4(6):429 [4 HsangL M Nieh TG Microstrucure and Popenes of ponder 温压缩变形时的峰值应力-变形条件满足双曲正弦 memllugy TiAl albs Ma erSciEngA 2004 364(1/2):1 函数关系.这为通过控制应变条件来控制热加工的 [5 Lu X HeX B LiSQ etalMicxstructures and mechanical Pxp 应力水平和力学性能参数提供了理论依据 erties ofTlbased albys by spark Plsma snterng J Univ Sci 通过计算获得T47.5A上2.5V-10Cr哈金 Technol Beijng 2008 30(3):254 (路新，何新波，李世琼，等放电等离子烧结TA基合金的显 高温变形激活能为376kmo1,与报道的 微组织及力学性能.北京科技大学学报，200830(3)：254) T48A哈金的高温变形激活能的值相接近1-以， Zhou L Z Guo JT Lupinc V et al H gh-tempemture mechanical 明显高于TA合金的体扩散激活能(290~ behavor and depomation mechanis ofTi47A1-2W0 5Si creep 345kmoT)B-,这与其软化机制为动态再结 resistant alk Acm Men ll Sin 2001,37(8):785 晶有关.有关研究表明，金属的热变形激活能 (周兰章，郭建亭，Lupne V等.TF47A上2W-05S抗蠕变合 金的高温力学行为和变形机制.金属学报，200137(8)：785) 接近其自扩散激活能时，动态回复为主要变形机 SellarsC M Modellingm icrostructural deve bpm entduring hot roll 制，而当材料的热变形是以动态再结晶为主时，其 ing Ma ter Sci Technol 1990 6(9):1027 变形激活能往往远高于其自扩散激活能. [8 Srinivasan R Sngh J P TuvalE et al Isothemal defmation of gama titanim akmnides ScrpwMater 1996 34(8):1295 3结论 I9 Nraw od R H Andersan D C W aggenspack W N Mesh eoning of2D isoparme tric elements by invasion Int J Num er Methods (1)在相同应变速率下，合金的高温压缩屈服 Eng198826(141 强度随变形温度的升高而降低，塑性趋于升高.在 I10 Ln QQ ZhangH Peng D et al Fbw stress behavior of5182 变形温度低于合金的脆弱转变温度时，合金的屈服 alum inum alky under hot compression depmaton Nat Sci J 强度随温度升高缓慢降低，压缩率增加：而当变形温 X iangmn Uniy 2002 24(3):84 度在脆韧转变温度以上时，屈服强度随温度升高迅 (林启权，张辉彭大署，等.5182铝合金热压缩变形流变应 速降低，同时合金的塑性迅速提高，压缩最大变形量 力.湘潭大学自然科学学报，200224(3)：84) [11 Vwana than G B Vasudeva V K MillsM J Malification of the 均可达80%. pgedsc rew model fr creep of y-Til.I Acm Mater 1999 47 (2)合金的高温压缩性能对应变速率敏感，随 (5片1399 着应变速率的降低，合金的高温压缩屈服强度降低， [124 Km HY Schn W H Hong SH High tempem ure defomation of 而塑性趋于升高，同时这种敏感程度随温度的升高 Ti(46-48)Al2W ntemetallic conpounds Mater Sci Eng A 而加剧. 1998251(1/2h216 [13 Hemzing C Przcorsk IT Min Y Selfdifuson in y-Til a (3)具有F组织的TF47.5A上2.5V-1.0Cr expermental sudy and arm istic cakuktions memenllis 合金在高温塑性变形时，峰值流变应力、应变速率和 1999.7(3/4):389 变形温度之间较好地满足双曲正弦形式的Ahe 【l4 Mishin Y Herzng C Diffusi知in the TiAl systm Aca Ma nu关系，说明其变形受热激活控制.在800~ 200048(3片589 1050℃0.2~0.002s'变形条件下，合金的应变敏 [15 XuW C ShanD B LiC F etal Sudy an the dynamn ic hot cm. Pess知behavior and卡omat知mechanism of TA15 titanim 感系数m为0.152其高温变形激活能Q为 alke J AermnautMater 2005,25(4):10 376 kj moT.建立了粉末治金TA基合金的高温 (徐文臣，单德彬，李春峰，等.TN5钛合金的动态热压缩行 变形本构方程为： 为及其机理研究.航空材料学报200525(4)：10)
第 9期 路 新等:粉末冶金 TiAl基合金高温变形行为 图 4 峰值应力与 Z参数之间的关系 Fig.4 RelationshipofpeakflowstressandZener-HollomonfactorZ 温压缩变形时的峰值应力 --变形条件满足双曲正弦 函数关系.这为通过控制应变条件来控制热加工的 应力水平和力学性能参数提供了理论依据 . 通过计算获得 Ti--47.5Al--2.5V--1.0Cr合金 高温 变 形 激 活 能 为 376 kJ· mol -1 , 与 报 道 的 Ti--48Al合金的高温变形激活能的值相接近 [ 11--12] , 明显 高 于 TiAl合 金 的 体 扩 散 激 活 能 ( 290 ～ 345 kJ·mol -1 ) [ 13--14] , 这与其软化机制为动态再结 晶有关 .有关研究表明 [ 15] , 金属的热变形激活能 接近其自扩散激活能时, 动态回复为主要变形机 制, 而当材料的热变形是以动态再结晶为主时, 其 变形激活能往往远高于其自扩散激活能. 3 结论 ( 1) 在相同应变速率下, 合金的高温压缩屈服 强度随变形温度的升高而降低, 塑性趋于升高.在 变形温度低于合金的脆弱转变温度时, 合金的屈服 强度随温度升高缓慢降低, 压缩率增加;而当变形温 度在脆韧转变温度以上时, 屈服强度随温度升高迅 速降低, 同时合金的塑性迅速提高, 压缩最大变形量 均可达 80%. ( 2) 合金的高温压缩性能对应变速率敏感, 随 着应变速率的降低, 合金的高温压缩屈服强度降低, 而塑性趋于升高, 同时这种敏感程度随温度的升高 而加剧 . ( 3) 具有 FL组织的 Ti--47.5Al--2.5V--1.0Cr 合金在高温塑性变形时, 峰值流变应力、应变速率和 变形温度之间较好地满足双曲正弦形式的 Arrhenius关系, 说明其变形 受热激活 控制.在 800 ～ 1 050℃/0.2 ～ 0.002s -1变形条件下, 合金的应变敏 感系 数 m为 0.152, 其 高 温 变 形 激 活 能 Q为 376kJ·mol -1 .建立了粉末冶金 TiAl基合金的高温 变形本构方程为 : ε · = e 27.250 [ sinh( 0.00295σ)] 6.580 exp( -376000/RT) . 参 考 文 献 [ 1] KimYW.Microstructuralevolutionandmechanicalpropertiesofa forgedgammatitaniumaluminidealloy.ActaMetallMater, 1992, 40( 6 ):1121 [ 2] KimYW.Orderedintermetallicalloys:Part3.Gammatitanium aluminides.JOM, 1994, 46 ( 7) :30 [ 3] LiuCT, SchneibelJH, MaziaszPJ, etal.Tensilepropertiesand fracturetoughnessofTiAlalloyswithcontrolledmicrostructures. Intermetallics, 1996, 4( 6 ):429 [ 4] HsiungLM, NiehTG.Microstructureandpropertiesofpowder metallurgyTiAlalloys.MaterSciEngA, 2004, 364 ( 1/2) :1 [ 5] LuX, HeXB, LiSQ, etal.MicrostructuresandmechanicalpropertiesofTiAl-basedalloysbysparkplasmasintering.JUnivSci TechnolBeijing, 2008, 30( 3 ) :254 (路新, 何新波, 李世琼, 等.放电等离子烧结 TiAl基合金的显 微组织及力学性能.北京科技大学学报, 2008, 30 ( 3) :254 ) [ 6] ZhouLZ, GuoJT, LupincV, etal.High-temperaturemechanical behavioranddeformationmechanismofTi-47A1-2W-0.5Sicreepresistantalloy.ActaMetallSin, 2001, 37( 8) :785 (周兰章, 郭建亭, LupincV, 等.Ti--47Al- 2W--0.5Si抗蠕变合 金的高温力学行为和变形机制.金属学报, 2001, 37 ( 8) :785 ) [ 7] SellarsCM.Modellingmicrostructuraldevelopmentduringhotrolling.MaterSciTechnol, 1990, 6 ( 9) :1027 [ 8] SrinivasanR, SinghJP, TuvalE, etal.Isothermaldeformationof gammatitaniumaluminides.ScriptaMater, 1996, 34( 8) :1295 [ 9] NrawfordRH, AndersonDC, WaggenspackW N.Meshrezoning of2Disoparametricelementsbyinvasion.IntJNumerMethods Eng, 1988, 26( 14 ):1 [ 10] LinQQ, ZhangH, PengDS, etal.Flowstressbehaviorof5182 aluminumalloyunderhotcompressiondeformation.NatSciJ XiangtanUniv, 2002, 24 ( 3) :84 (林启权, 张辉, 彭大署, 等.5182铝合金热压缩变形流变应 力.湘潭大学自然科学学报, 2002, 24 ( 3) :84) [ 11] ViwanathanGB, VasudevanVK, MillsMJ.Modificationofthe jogged-screwmodelforcreepofγ-TiAl.ActaMater, 1999, 47 ( 5 ):1399 [ 12] KimHY, SohnWH, HongSH.Hightemperaturedeformationof Ti-( 46-48 ) Al-2W intermetalliccompounds.MaterSciEngA, 1998, 251( 1 /2 ):216 [ 13] HerzingC, PrzeorskIT, MishinY.Self-diffusioninγ-TiAl:an experimentalstudyandatomisticcalculations.Intermetallics, 1999, 7( 3/4) :389 [ 14] MishinY, HerzingC.DiffusionintheTi-Alsystem.ActaMater, 2000, 48 ( 3 ):589 [ 15] XuWC, ShanDB, LiCF, etal.StudyonthedynamichotcompressionbehavioranddeformationmechanismofTA15 titanium alloy.JAeronautMater, 2005, 25( 4) :10 (徐文臣, 单德彬, 李春峰, 等.TA15钛合金的动态热压缩行 为及其机理研究.航空材料学报, 2005, 25 ( 4) :10 ) · 1185·
