Thermisches Deformation verhalten der Titan legierung SP700

Titan legierungenSind für ihre geringe Dichte, hohe spezifische Festigkeit und aus gezeichnete umfassende Eigenschaften bekannt, was sie ideal macht, um das Gewicht von Struktur komponenten in der Luft-und Raumfahrt, im Marine bereich und in anderen Bereichen zu reduzieren. Während der Verarbeitung stehen Titan legierungen jedoch häufig vor Herausforderungen wie einer hohen Verformung beständigkeit und einem erheblichen Rück federung nach dem Formen. Das super plastische Umformen (SPF) ist eine viel versprechende Heiß verarbeitung stech no logie, die in einem einzigen Schritt komplex geformte Teile bilden kann, wodurch die Material auslastung verbessert und die Produktions kosten gesenkt werden.

Die Titan legierung SP700 wird wegen ihrer hervorragenden Super plastizität und mechanischen Eigenschaften bevorzugt und wurde in die US-amerikanischen Materials pezifi kationen für Luft-und Raumfahrt mit erfolgreichen Anwendungen in Karosserie materialien für die Luft-und Raumfahrt aufgenommen. Die Legierung wird überwiegend in Blechform zur super plastischen Umformung verwendet, die typischer weise durch Mehrpass-Zweiphasen-Warm walzen hergestellt wird, um dünne SP700-Titanbleche zu erhalten.

In dieser Studie wurden Heiß kompression verformung experimente durchgeführt, um das Fließ verhalten der Titan legierung SP700 zu untersuchen. Untersuchung der Auswirkungen von Verformung prozess parametern auf die Mikros truktur der Legierung und des Spheroidisierungs verhaltens von Lamellen strukturen während der thermischen Verformung. Dies bietet eine theoretische Grundlage für die Formulierung des Heiß verformung prozesses für die Titan legierung SP700.

1. experimentelle Materialien und Methoden

Das verwendete experimentelle Material war eine gewalzte SP700 Titan legierung platte mit einer Dicke von 22mm, und ihre chemische Zusammensetzung ist in Tabelle 1 aufgeführt. Der Phasen übergangs punkt der Legierung wurde unter Verwendung metallo grafischer Methoden auf 910 °C bestimmt. Die ursprüngliche Platte wurde nach 30 Minuten bei 940 ° C wasser abgeschreckt, was zu einer abgeschreckten Struktur führte, die haupt sächlich aus feinem Azikulärem Martensit mit einer durchschnitt lichen vorherigen β-Korngröße von ungefähr 615 μm bestand. wie in Abbildung 1 dargestellt

Abb. 1 Wasser abgeschreckte Mikros truktur aus einer Titan legierung SP700

Tabelle 1 Chemische Zusammensetzung der Titan legierung SP700 %

Die abgeschreckte Legierung wurde dann heißen Kompression simulations tests unterzogen. Die Proben größe betrug 8mm × 12mm, wobei die Höhen richtung parallel zur normalen Richtung der Platte war. Die Tests wurden an einer thermischen Simulations maschine Gleeble3800 durchgeführt. Vor der Kompression verformung wurden Graphit platten verwendet, um beide Enden der Probe zu schmieren, um die durch Reibung verursachte ungleich mäßige Verformung zu verringern. Die Test temperaturen betrugen 800, 840 und 880 ° C mit Dehnung raten von 1, 5 und 10 s, und Kompression verformung mengen von 30% und 50%. Die Proben wurden mit einer Geschwindigkeit von 10 °C/s auf die Verformung temperatur erhitzt, 5 Minuten lang gehalten und dann einer Kompression verformung unterzogen. Nach der Verformung wurden die Proben in Wasser abgeschreckt, um die Hochtemperatur-Verformung mikros truktur zu erhalten.

Die komprimierten Proben wurden zur Beobachtung und Analyse der Mikros truktur parallel zur Kompression achse geschnitten, wie in Abbildung 2 gezeigt. Die Abbildung kennzeichnet σ als Spannung und gibt die Richtung der Spannungs belastung an. Die Kompression verformung probe umfasste haupt sächlich drei Bereiche: schwer zu verformende Region I, freie Verformung region II und große Verformung region III. Diese Studie konzentriert sich auf die Auswirkungen von Verformung bedingungen auf die Mikros truktur und untersucht haupt sächlich den großen Verformung bereich III. Die Beobachtungs flächen der Proben wurden mit 240-5000 # SiC-Wasser-Schleifpapier gemahlen, bei Raum temperatur und 65V in einer Lösung von 5% HClO4 95% CH3COOH volumen mäßig elektro poliert. und dann mit Kroll-Reagenz (2 ml HF, 8 ml HNO3 und 82 ml H2O) geätzt. Die Mikros truktur analyze wurde unter Verwendung eines optischen Axiovert 200 MAT-Mikroskops (OM), eines JEOL-JEM-7900F raster elektronen mikroskops (SEM) und einer Elektronen rück streu beugung (EBSD) bei einer Beschleunigung spannung von 20 kV durchgeführt.

Fig.2 Schematische Darstellung der Beobachtungs positionen nach der Kom primi erung

2. Ergebnisse und Diskussion

2.1 Thermisches Verformung verhalten

Abbildung 3 zeigt die wahren spannungs wahren Dehnung kurven der Titan legierung SP700 unter verschiedenen Verformung parametern während der Heiß kompression. Es ist ersichtlich, dass im Anfangs stadium der Kompression verformung mit zunehmender Dehnung die Fließ spannung der Legierung schnell ansteigt. Dies ist haupt sächlich auf die schnelle Multi pli kation von Versetzungen innerhalb der Legierung während des Anfangs stadiums der Verformung zurück zuführen, wobei die Versetzung srate die durch Bewegung verursachte Versetzung srate übertrifft. führt zur Arbeits härtung der Legierung. Sobald die Fließ spannung einen Spitzenwert erreicht und die Kompression verformung weiter zunimmt, weisen die tatsächlichen spannungs wahren Dehnung kurven unterschied liche Muster auf. Bei 800 ° C nimmt die Spannung allmählich ab und stabilisiert sich nach Erreichen des Peaks, was auf eine Erweichung der Strömung hinweist. Bei höheren Temperaturen (840-880 ° C) bleibt die Spannung nach Erreichen des Spitzenwerts nahezu konstant und zeigt ein Strömungs verhalten im stationären Zustand an.

Abbildung 3 a) 1 s-1/30%; b) 1 s-1/50%; (c) 5 s-1/30%; (d) 5 s-1/50%; e) 10 s-1/30%; f) 10 s-1/50%

Während der Heiß verformung von Titan legierungen konkurriert die Arbeits härtung aufgrund plastischer Verformung mit der Erweichung, die durch dynamische Erholung oder dynamische Rekristallisation verursacht wird, was zu unterschied lichen Eigenschaften in den tatsächlichen spannungs wahren Dehnung kurven führt. Im Anfangs stadium der plastischen Verformung steigt mit zunehmender Verformung die Versetzung dichte schnell an und verwickelt sich, wodurch die Versetzung bewegung behindert und die Strömungs spannung erhöht wird. Bei weiterer Verformung erhöht die erhöhte Versetzung dichte die gespeicherte Verformung sener gie innerhalb der Legierung. Wenn die gespeicherte Energie die Aktivierung sener gie für die dynamische Rekristallisation erreicht, tritt eine dynamische Rekristallisation auf, die die Versetzung dichte verringert und eine Erweichung des Flusses verursacht. Wenn sich die Aushärtung aufgrund von Versetzung multi pli kation und Erweichung aufgrund dynamischer Rekristallisation ausgleichen, zeigt die Spannungs-Dehnung kurve einen stationären Fluss. Wenn die Erweichung die Aushärtung signifikant übers ch reitet, sinkt die Fließ spannung stark ab und zeigt eine ausgeprägte dynamische Rekristallisation kurve. Darüber hinaus haben zahlreiche Studien gezeigt, dass die Sphäroid isierung von Lamellen-oder Lith strukturen in Titan legierungen auch zu einer Fließ erweichung führen kann. Aus Abbildung 3 geht hervor, dass die Legierung bei 800 ° C bei einer Kompression verformung von mehr als 50 ° C einer signifikanten dynamischen Rekristallisation unterzogen wird. Bei gleicher Dehnung srate und Kompression verformung nimmt die Spitzens pannung der Titan legierung SP700 mit zunehmender Verformung temperatur ab. Bei konstanter Verformung temperatur und-menge steigt die Spitzens pannung der Legierung mit zunehmender Dehnung srate aufgrund einer schnellen Versetzung multi pli kation und einer erhöhten Versetzung dichte.

2.2 Einfluss von Verformung parametern auf die Mikros truktur der Legierung

2.2.1 Verformung temperatur

Abbildung 4 zeigt die Mikros truktur einer SP700-Titanlegierung, die bei verschiedenen Temperaturen (800-880 ° C) unter einer Dehnung srate von 1 s, und einer Kompression verformung menge von 50% komprimiert wurde. Im Zwei phasen bereich nach der Kompression verformung besteht die Mikros truktur der Titan legierung SP700 haupt sächlich aus α-Lamellen und einer kleinen Menge der Rest-β-Phase. Wie in den Abbildungen 4(a), (c) und (e) gezeigt, beeinflusst die Verformung temperatur die Mikros truktur der Titan legierung SP700 signifikant. Verglichen mit der ursprünglichen Struktur (Abbildung 1) verlängern sich die ursprünglichen β-Körner nach der Kompression verformung senkrecht zur Kompression richtung. Bei 800 ° C und 840 ° C verschwinden die ursprünglichen β-Korngrenzen und die α-Lamellen werden Spheroidisierung unterzogen. Mit zunehmender Verformung temperatur nimmt der Sphäroid isierungsgrad der α-Lamellen ab. Wenn die Temperatur auf 880 ° C steigt, werden die ursprünglichen β-Körner mit klaren Korngrenzen beibehalten, und an den Korngrenzen werden zahlreiche β-rekristall isierte Körner beobachtet. Dies liegt daran, dass eine schnelle Abkühlung nach der thermischen Verformung zu einer starken Unterkühlung führt, die Element diffusion behindert und dazu führt, dass sich die partielle ursprüngliche β-Phase in eine übersättigte feste Lösung mit derselben Kristalls truktur verwandelt. Als die Verformung TemperatuNimmt wieder zu, der Spheroid isierungsgrad der intra agrar ulären α-Lamellen nimmt ab, wobei nur wenige rekristall isierte äquaxe α-Körner nach der Kompression verformung bei 880 ° C beobachtet werden. Dies könnte darauf zurück zuführen sein, dass die β-Phase eine körper zentrierte kubische Struktur mit mehr Schlupf systemen aufweist, was zuerst während der Verformung zu einer dynamischen Erholung und Rekristallisation führt. wodurch die gespeicherte Verformung energie verringert und die Tendenz zur Spheroidisierung von α-Lamellen verringert wird.

Abbildung 4 (a, b) 800 ° C; (c, d) 840 ° C; (e, f) 880 ° C

2.2.2 Dehnung srate

Abbildung 5 zeigt die Mikros truktur einer SP700-Titanlegierung, die bei unterschied lichen Dehnung raten (1-10 s ⁻Kalen) bei einer Verformung temperatur von 800 ° C und einer Kompression verformung menge von 50% komprimiert wurde. Die β-Körner verlängern sich nach der Kompression verformung senkrecht zur Kompression richtung, und die ursprünglichen β-Korngrenzen verschwimmen und bilden unterschied liche Strömungs linien. Mit zunehmender Dehnung srate vergröbern, brechen und spheroidisieren die intra granulären α-Lamellen. Bei Dehnung geschwindigkeiten von 1 s-oder 5 s-, 5 s-Lamellen verbleiben einige α-Lamellen mit Seiten verhältnissen größer als 3 in der Verformung mikros truktur, wie in Abbildung 5(d) gezeigt. Wenn die Dehnung srate auf 10 s, erhöht sich das Ausmaß der Fraktur und Spheroidisierung der ursprünglichen β-Körner und intra granulären α-Lamellen, verschwinden die ursprünglichen β-Korngrenzen. und eine signifikante dynamische Rekristallisation findet in der Legierung statt, was zu einer Mikros truktur führt, die aus rekristall isierten Körnern besteht, wie in Abbildung 5(f) gezeigt. In Titan legierungen erfolgt die plastische Verformung haupt sächlich durch Versetzung bewegung. Bei einer konstanten Kompression verformung verringert die Erhöhung der Dehnung srate die Verformung szeit, wodurch das Gleiten der Korngrenzen und das Diffusions kriechen gehemmt werden, was zu Versetzungen an Grenzflächen führt und so das Versetzen innerhalb der Körner fördert. Folglich macht eine Erhöhung der Dehnung srate α-Lamellen anfälliger für Scher verformung oder Korn rotation, wodurch der Grad der Spheroidisierung der Lamellen erhöht wird. Zusätzlich liefern die Korngrenzen defekte und Versetzungen in der ursprünglichen β-Phase zahlreiche Keimbildung stellen für die Rekristallisation, wodurch das Ausmaß der dynamischen Rekristallisation der β-Phase mit zunehmender Dehnung srate erhöht wird.

Abbildung 5 (a, b) 1 s-1; (c, d) 5 s-1; (e, f) 10 s-1

2.2.3 Kom primi erungs verformung betrag

Abbildung 6 zeigt die Mikros truktur der Titan legierung SP700 bei einer Verformung temperatur von 800 ° C und einer Dehnung srate von 5 s Wie zu sehen ist, sind nach einer 30% igen Kompression verformung (Abbildungen 6(a) und (b)) die ursprünglichen β-Körner abgeflacht, aber die Korngrenzen bleiben deutlich sichtbar. Zusätzlich wird eine signifikante Anzahl fein rekristall isierter Körner an den β-Korngrenzen beobachtet. Innerhalb der Körner zeigen die α-Lamellen eine Biegung, und einige α-Lamellen zeigen Wellen an den Grenzflächen, was darauf hinweist, dass die dynamische Rekristallisation bereits bei kleineren Verformung mengen begonnen hat. Wenn die Verformung menge auf 50% erhöht wird (Abbildungen 6(c) und (d)), werden die β-Korngrenzen nahezu linear und die α-Lamellen innerhalb der Körner fragmentiert und Spheroidisierung erfahren. mit einer weiteren Erhöhung des Rekristallisation grades.

Abbildung 6 (a, b) 30%; (c, d) 50%

2.3 Sphäroidisierungs verhalten der Lamellen struktur in der Titan legierung SP700

Abbildung 7 zeigt die Mikros truktur der Titan legierung SP700 nach heißer Kompression verformung bei 800 ° C. Die Abbildung zeigt an, dass die Drucks pannung nach der Kompression verformung dazu führte, dass die α-Lamellen brechen und sich senkrecht zur Kompression richtung drehen. Insbesondere zeigten die α-Lamellen, die senkrecht zur Kompression richtung waren (wie in Bereich A von Abbildung 7(a) gezeigt), Grenzflächen wellen, die zu instabilen Died erwin keln an den Grenzen führten. Um die Oberflächen spannung zu verringern, führte die Element diffusion bei hohen Temperaturen dazu, dass die β-Phase in die α-Lamellen keilte. führt zur Fragment ierung der α-Lamellen und anschließender Spheroidisierung unter Hoch temperatur bedingungen (wie in Abbildung 7(b) dargestellt). Bei den α-Lamellen parallel zur Kompression richtung (wie in Bereich B von Abbildung 7(a) gezeigt) traten signifikante Formänderungen auf. Während der Kompression verformung wurde die Lamellen struktur unter Drucks pannung gebogen und verdreht, wodurch eine signifikante Dehnung sener gie innerhalb der Legierung gespeichert wurde. Dies führte zur Bildung von Sub korn grenzen innerhalb der lamellaren α-Phase, und die α/β-Grenzfläche drehte sich unter Spannung, was schließlich dazu führte, dass die Lamellen auseinander brachen.

Abbildung 7 Mikros truktur der SP700-Titanlegierung, die einer 800 ° c/1 s-1/30% Heiß kompression verformung unterzogen wurde. (a) Geringe Vergrößerung; (b) Hohe Vergrößerung

Abbildung 8 zeigt die Mikros truktur der Titan legierung SP700 nach heißer Kompression verformung bei 840 ° C. Ähnlich wie beim Verhalten bei 800 ° C wurde die Grenzfläche der α-Lamellen unterbrochen und während der Kompression bei 840 ° C getrennt. Mit dem Anstieg der Verformung temperatur verdickten sich jedoch die α-Lamellen, und es wurde eine teilweise Auflösung der α-Phase beobachtet. Beim Abkühlen nach Kompression verformung fiel die sekundäre α-Phase (αs) aus, wie in Abbildung 8(b) gezeigt.

Abbildung 8 Mikros truktur der SP700-Titanlegierung, die einer 840 ° c/1 s-1/30% Heiß kompression verformung unterzogen wurde. (a) Geringe Vergrößerung; (b) Hohe Vergrößerung

Wenn die Verformung temperatur auf 880 ° C erhöht wurde, unterschied sich die Mikros truktur signifikant von der bei 800 ° C und 840 ° C beobachteten. Wie in Abbildung 9 gezeigt, war bei 880 ° C wenig bis keine sphäroid isierte α-Phase vorhanden. Wie bereits erwähnt, beträgt die Phasen umwandlung temperatur für die untersuchte Legierung 910 ° C, was darauf hindeutet, dass eine verformung induzierte Phasen umwandlung während der heißen Verformung auftreten kann, wodurch die Phasen morphologie innerhalb der Legierung verändert wird. Abbildung 9 zeigt, dass nach 880 ° C Verformung, dynamische Rekristallisation von β-Körnern dominiert, wobei zahlreiche rekristall isierte β-Körner eine "halsketten artige" Struktur an den Korngrenzen bilden. Ähnliche mikros trukturelle Veränderungen wurden bei der heißen Verformung Ti-6242S Legierung beobachtet.

Fig.9 Mikros truktur der Titan legierung SP700 verformt bei 880 ° C/1 s-1/30%

3, Schluss folgerungen

1. Das Hochtemperatur-Strömungs verhalten der Titan legierung SP700 hängt eng mit der Verformung temperatur, der Dehnung srate und der Kompression verformung zusammen. Während der Kompression verformung bei hohen Temperaturen (840-880 ° C) weist die Legierung Strömungs eigenschaften im stationären Zustand auf. Im Gegensatz dazu zeigt die Legierung bei niedrigeren Temperaturen (800 ° C) mit einer Kompression verformung von 50% dynamische Erweichung eigenschaften.

2. Unter Verformung bedingungen von 800-880 ° C, Dehnung raten von 1-10 s, und Kompression verformung von 30%-50%, die primären mikros trukturellen Veränderungen in der Titan legierung SP700 während der Heiß kompression verformung sind die Spheroidisierung der α-LamenLlae und die Rekristallisation der β-Phase. Wenn die Verformung temperatur abnimmt und die Dehnung srate zunimmt, steigt der Spheroidisierungsgrad der α-Lamellen. Zusätzlich fördert eine größere Menge an Kompression verformung das Auftreten einer dynamischen Rekristallisation in der Legierung.

3. Nach der Verformung der Hoch temperatur kompression entwickeln sich innerhalb der α-Lamellen senkrecht zur Kompression sachse kontinuierliche Orientierung unterschiede, die Wellen an der Grenzfläche verursachen und instabile Died erwin kel bilden. Innerhalb der α-Lamellen parallel zur Kompression achse treten diskont inuierliche Orientierung unterschiede auf, wodurch neue α/α-Grenzflächen entstehen. Die β-Phase keilt an den Died erwin keln oder den neuen α/α-Grenzflächen in die α-Lamellen ein, was zum Bruch und zur Trennung der Lamellen führt, die anschließend unter Hoch temperatur bedingungen eine Spheroidisierung erfahren.