基于加工图理论与Prasad塑性失稳准则的Ti2AlNb基合金热变形行为研究

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Ti2AlNb基合金具有较高的比强度、断裂韧性和蠕变抗力等综合力学性能,是一种极具开发潜力的航空航天用先进结构材料,特别是在600~750℃温度范围内用作航空航大发动机中的转动部件使用,是金属间化合物研究领域中的一个新的热点。通过在Ti-22Al-27Nb基准合金中添加第四组元的β相稳定元素Mo和Fe来替代部分Nb,研制了Mo、Fe成分改性的Ti2AlNb金属间化合物,其名义成分为Ti-25Al-14Nb-2Mo-lFe。前期研究表明Mo、Fe成分改性的Ti2AlNb金属间化合物材料具有较高的高温屈服强度和良好的高温蠕变性能。但是,由于Ti2AlNb基合金的成型温度范围较窄,加之其显微组织和力学性能对热加工条件十分敏感,导致成型的难度较大。因此,有必要全面、系统地研究Ti-25Al-14Nb-2Mo-lFe合金的高温变形行为及变形机理,为制定合理的热加工工艺提供理论依据。本文采用热模拟压缩试验,研究了Ti-25Al-14Nb-2Mo-lFe合金应力-应变曲线变化规律,利用多元回归分析方法建立了该合金高温变形时的本构模型。基于动态材料模型和Prasad’s失稳准则,建立了Ti-25Al-14Nb-2Mo-lFe合金在温度950~1100℃,变形速率0.001~1s-’条件下的热加工图,利用该图分析了合金的高温变形特性,并优化出其适宜的高温变形参数范围。本论文得到的主要结果如下:(1) Ti-25Al-14Nb-2Mo-lFe合金的流变应力对变形温度和变形速率均较为敏感,其流变应力曲线具有应力峰值、流变软化和稳态流变特征。低变形速率时的流变应力曲线表现出稳态流变特征;低温、高变形速率时的流变应力曲线表现出流变软化特征。流变软化现象的产生是局部温升、动态再结晶和流变失稳综合作用的结果。(2)研究揭示了Ti-25Al-14Nb-2Mo-lFe合金在热变形过程中流变应力与变形速率和变形温度之间的关系,采用Arrhenius双曲正弦函数,在计算变形激活能等材料参数的基础上,建立了该合金的高温变形本构方程。(3)基于动态材料模型,以Prasad流变失稳准则为依据,建立了Ti-25Al-14Nb-2Mo-lFe合金在应变0.7,温度950~1100℃,变形速率0.001~1s-1条件下的热加工图,利用该图并结合变形微观组织观察分析了该合金在试验条件下的高温变形机制,确定了该合金“加工安全区”和“流变失稳区”的热加工工艺参数范围。(4)利用热加工图研究了塑性加工“安全区”的高温变形特性,结果表明:功率耗散效率的峰值区分别出现在变形温度950℃,变形速率0.001s-1和变形温度1050℃,变形速率0.001s-1。前者的峰值效率为43%,变形特性为α2/O片层组织球化;后者的峰值效率为58%,呈现不连续动态再结晶的特征。(5)利用热加工图研究了塑性加工“失稳区”的高温变形特性,结果表明:在低温、高变形速率(≥1s-1)和大应变(ε=0.7)的条件下,材料落入流变失稳区域,其微观变形机制为绝热剪切带、局部塑形流动和开裂等缺陷的产生,该区域在加工过程中应予以避免。
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