高溫長時熱暴露工況下機械模具關鍵構件Ti60鈦合金棒塑性衰減規律研究：基于微觀組織表征與熱拉伸試驗

1、序言

Ti60鈦合金是一種具有優異性能的金屬材料，廣泛應用于制造各類機械磨具設備。Ti60鈦合金有著高強度、耐腐蝕的特點，其中高強度是指Ti60鈦合金具有出色的抗拉強度和屈服強度，能夠承受較大的載荷和沖擊力。耐腐蝕指的是該合金具有良好的耐腐蝕性能，能夠在惡劣的環境條件下長時間穩定運行。同時該合金易于加工成各種復雜形狀和結構，能夠滿足機械磨具設備生產的多樣化需求。然而在高溫長時間熱暴露環境下，機械磨具用Ti60鈦合金的性能會受到嚴重影響，其中塑性性能的退化是重點關注的問題之一。Ti60鈦合金塑性性能的退化可能會造成以下后果:①力學性能下降:塑性性能是金屬材料的重要性能之一，其反映了金屬材料在受力作用下的變形能力[2]。如果Ti60鈦合金的塑性性能退化，其力學性能可能會受到影響，如強度、硬度、韌性等可能降低。②結構完整性受損:在機械磨具中，如沖壓模具的凸模/凹模、注塑模具的型芯/型腔、擠壓模具的導流套等，Ti60鈦合金被用于制作關鍵部件。如果其塑性性能退化，則可能導致這些部件的結構完整性受損，從而影響設備的性能和安全性。因此，為確保機械磨具的安全和性能，需密切關注Ti60鈦合金的塑性性能退化情況。

目前，眾多學者針對Ti60鈦合金應用性能展開研究，并已取得一定研究成果。如張群兵等[3]采用激光焊接技術對TC17/Ti60異種鈦合金進行焊接，系統研究了焊接接頭的宏觀形貌、微觀組織、顯微硬度、拉伸性能及低周疲勞性能。舒宗富等?過激光熔覆技術制備Ti60鈦合金，重點分析了工藝參數對成形質量、微觀組織及拉伸性能的影響。CHEN等[5]研究了不同溫度下Ti60鈦合金的高周疲勞性能。然而，上述研究均未分析機械磨具用Ti60鈦合金在高溫長時間熱暴露環境下的塑性性能。由于高溫長時間熱暴露環境下材料性能變化非常復雜，因此還需進一步深入研究和探索。

基于此，開展熱暴露對機械磨具用Ti60鈦合金材料塑性性能的影響研究，為提高機械磨具的安全性和使用壽命研究提供理論支持和技術指導。

2、材料制備與測試方法

2.1　試驗材料

選取直徑為8mm，長度為300mm的鈦合金棒材作為試驗材料，其化學成分見表1。

表1　Ti60鈦合金化學成分(質量分數)(%)

采用的試驗材料為Ti60鈦合金棒材，制備工藝為精密的熱加工工藝。該合金鑄錠采用多級真空自耗熔煉工藝制備，確保材料純凈度達到高性能要求。在后續熱加工過程中，首先在高于相變點的溫度區間進行開坯鍛造以破碎初始鑄態組織，隨后在兩相區溫度范圍內實施多向反復變形處理?。這種特殊的熱加工工藝促使材料發生充分的動態再結晶過程，最終形成具有優異均勻性的等軸細晶組織，具體如圖1所示。

從圖1可看出，經過優化的工藝處理后獲得的鍛態組織呈典型的再結晶形貌特征，晶界結構呈理想的模糊化狀態，具有良好的組織均勻性和穩定性，晶粒尺寸為30~40μm。為保障試驗數據的代表性，所有試樣均采用線切割，沿棒材軸向1/2半徑處取樣，以備后續測試。

2.2　熱暴露試驗條件設計

Ti60鈦合金的高溫熱暴露測試裝置如圖2所示。

該設備是一款高性能熱力學試驗系統，可用于各種金屬材料試樣的熱變形、熱處理等試驗，并可實時采集數據，用于分析材料性能。該設備技術指標卓越，溫度范圍覆蓋室溫至1450℃，控溫精度達±1℃;采用電阻加熱方式，配備熱傳遞冷卻、壓縮空氣冷卻和氣霧冷卻3種冷卻模式;支持真空和氬氣氣氛保護試驗環境，可滿足不同試驗需求。應用該設備設置不同的電加熱溫度與時間，以分析材料性能，具體測試參數見表2。

表2　具體測試參數設計

在以上測試環境中，實施機械磨具用Ti60鈦合金塑性性能的測試與分析。

2.3　性能測試

(1)顯微組織對比測試：對所有熱處理后的金相試樣通過精車加工去除表面1mm氧化層，然后依次采用400#、800#、1000#、1500#及2000#砂紙進行粗磨和細磨，最終采用金剛石懸濁液進行拋光和清洗，確保金相觀察面無劃痕或雜質顆粒。采用Kroll腐蝕液(3%HF+10%HNO?+87%H?O)對金相觀察面進行腐蝕，并在Olympus-GX71型光學顯微鏡下觀察顯微組織。對用于EBSD分析的試樣進行電解拋光，電解液采用高氯酸、甲醇和正丁醇的混合溶液，比例依次為1:6:3，在SUPRA_55型設備上完成掃描電鏡觀察。對比不同溫度(500℃/550℃)和時間(3~90h)熱暴露后試樣的微觀組織。

(2)塑性性能測試：包括高溫軸向拉伸性能測試與熱膨脹穩定性測試。

1)高溫軸向拉伸性能測試。采用線切割將制備的Ti60鈦合金加工成4種尺寸的小圓柱，分別為Φ8mm×18mm、Φ8mm×16mm、Φ8mm×14mm及Φ8mm×12mm。在圓柱試樣的端面放置墊片以減小摩擦[8]。將4種尺寸圓柱作為拉伸試樣，通過Gleeble-3500熱模擬試驗機模擬高溫熱暴露環境，并開展恒溫熱拉伸塑性性能測試試驗，具體試驗方案如下:設置試驗機應變速率為0.01 s?1，利用試驗機實施單道次熱拉伸，其工藝規程如圖3所示。

在試驗中，利用試驗機的處理系統采集試驗數據。由于在徑向應變測量過程中試驗機的C-Strain傳感器可能出現偏差，因此在本次試驗中采取軸向應變測量方式，即通過沖程控制實時采集試樣長度與載荷數據變化[9]。基于測量數據，計算材料的塑性應變φ，其表達式如下。

式中：δ——試驗機記錄的實時載荷(N)；

C₀——試樣原始直徑(mm)；

x——試樣瞬時長度(mm)；

x₀——試樣原始長度(mm)。

依據式(1)，得到各試樣的塑性應變，并分析其塑性性能。

2)熱膨脹穩定性測試。采用熱膨脹儀測試各試件的塑性熱穩定性能。將試樣放置在熱膨脹儀的樣品臺上，軸向施加5N預緊力，以確保試樣被固定牢固，防止在測試期間發生位移。設置熱膨脹儀的溫度控制系統，以10℃/min升溫速率在氬氣保護氣氛下進行測試，然后啟動熱膨脹儀開始測試[10]。測試溫度范圍覆蓋室溫~550℃，以匹配熱暴露試驗條件。測試期間，儀器會自動記錄和采集試樣長度(隨溫度變化的)數據。完成測試后，可使用熱膨脹儀所測量的數據，計算試樣的熱膨脹系數α，其公式如下。

式中：ΔT——溫度變化；

ΔL——在溫度變化下的長度變化量；

L₀ ——材料在參考溫度下的初始長度(mm)。

依據式(2)，獲得熱膨脹系數隨溫度變化曲線，以此評估材料在不同熱暴露條件下的穩定性。

3、測試性能分析

3.1　微觀組織分析

在對熱暴露完成后的試樣進行預處理后，采用FE-SEM SUPRA_55型設備進行微觀組織形貌觀察，并獲得顯微組織，結果如圖4所示。

統計不同熱暴露條件下Ti60鈦合金平均晶粒尺寸，結果見表3。

表3　不同熱暴露條件下Ti60鈦合金平均晶粒尺寸

圖4所示的顯微組織清晰地展示了Ti60鈦合金在不同熱暴露條件下的相變行為和組織演化特征。

通過掃描電鏡系統觀察發現，Ti60鈦合金在500℃和550℃兩個典型溫度下的組織演變呈現出明顯的差異性和規律性。

從圖4及表3數據可知，在短時熱暴露階段(3~9h)，兩種溫度處理的試樣中初生α相均保持相對穩定，其體積分數和晶粒尺寸未見顯著變化，平均晶粒尺寸由初始的30~40μm緩慢增長至35μm(500℃×9h)和45μm(550℃×9h)，表明短時熱力學擾動尚不足以引發明顯的相變重組。值得注意的是，此時在初生α相邊緣區域已開始出現少量塊狀α相析出，這種局部相變行為主要受限于低溫條件下Al、Sn等合金元素的擴散能力不足。隨著熱暴露時間延長至60h，溫度對組織演變的調控作用開始顯著體現。在500℃處理的試樣中，平均晶粒尺寸增長至42μm，初生α相周圍逐漸形成離散分布的塊狀α相，這些新相與原始初生α相保持著清晰的相界，且被次生α相有效分隔，反映出中溫條件下相變過程的漸進性和局域性特點。相比之下，550℃處理的試樣平均晶粒尺寸顯著增加至58μm，塊狀α相不僅數量顯著增加，而且開始形成連續的三維網絡結構，相界逐漸模糊化，直觀展示了高溫對相變動力學和粗化過程的加速作用。當熱暴露時間達到90h時，溫度效應帶來的組織差異更加顯著。500℃處理的試樣平均晶粒尺寸增至48μm，雖然塊狀α相數量持續增加，但次生α相仍然發揮著有效的空間隔離作用，阻止了組織的完全粗化。而550℃處理的試樣平均晶粒尺寸已達到65μm，基本完成組織均質化過程，形成典型的等軸α相粗晶結構，次生α相的完全消失標志著系統已達到更穩定的熱力學平衡狀態。這種差異本質上反映了溫度對擴散過程的決定性影響:在較低溫度下，受限的原子擴散導致組織演化呈階段性特征;而高溫條件通過顯著增強元素互擴散能力，不僅加速了相變過程，更促進了組織的整體均勻化和穩定化。

3.2　不同熱暴露條件下試件的塑性性能分析

塑性應變能夠更精確地量化材料在發生失穩前的均勻變形能力，這直接決定了材料在熱加工過程中的成形極限和充填性能，因此選取塑性應變作為性能評估指標。在0.01 s?1的應變速率與不同的熱拉伸溫度下，利用試驗機測試不同熱暴露溫度與時間下Ti60鈦合金試件的塑性應變，分析其塑性性能，結果見表4。

在相同熱暴露溫度條件下，隨著熱暴露時間的延長，塑性應變呈明顯的下降趨勢。以500℃熱暴露為例，當熱暴露時間從3h延長至90h時，1000℃拉伸溫度下的塑性應變從1230 με降至980 με；1100℃下從1450 με降至1220 με；1200℃下從1680 με降至1500 με，降幅為10.7%。這種趨勢在550℃熱暴露條件下更為顯著。值得注意的是，在1200℃高溫拉伸條件下，不同熱暴露時間導致的性能差異相對較小，這表明高溫環境能夠部分抵消長時間熱暴露帶來的不利影響。對比不同熱暴露溫度的影響可發現，550℃處理試樣的塑性應變普遍低于500℃試樣。以3h熱暴露為例，550℃處理試樣在3個測試溫度下的塑性應變相較于500℃試樣分別降低4.1%、3.4%和1.8%;而在90h長時間熱暴露后，這一差異擴大至9.2%、7.4%和6.7%。這種溫度效應隨著熱暴露時間的延長而增強的現象，可能與高溫條件下組織演變速率加快有關。

通過顯微組織演變分析發現，這種塑性性能的下降主要源于熱暴露過程中α相的持續粗化及次生α相的析出行為，這些組織變化顯著增大了位錯運動的阻力。隨著熱暴露時間從3h延長至90h，晶界弱化和元素偏聚現象加劇，導致塑性應變降低。值得注意的是，在1200℃高溫測試條件下，不同熱暴露試樣之間的性能差異有所減小，這表明高溫環境能夠通過動態再結晶過程部分修復熱暴露導致的組織缺陷。為驗證極端條件下的性能演變規律，開展了在550℃、熱拉伸溫度1200℃、400h的超長時間的測試分析，如圖5所示。

表4　不同熱暴露條件下溫度、時間與塑性應變的關系

從圖5可知，與短時熱暴露相比，400h熱暴露導致塑性應變大幅降低，如在1200℃拉伸條件下，塑性應變從1375με降至約1000με。結合顯微組織分析可知，超長時間熱暴露加劇了α相粗化、晶界弱化和元素偏聚，同時晶界蠕變和位錯密度的變化進一步阻礙了位錯運動，使材料塑性變形能力顯著下降。盡管1200℃高溫拉伸可能通過動態再結晶部分修復組織缺陷，但400h熱暴露引起的結構損傷已超出其補償能力。這一結果提示，在高溫長時間服役環境中需嚴格控制Ti60鈦合金的熱暴露時間或采取防護措施，以避免因組織不可逆劣化導致的塑性性能喪失，本研究為材料在極端條件下的可靠性評估提供了重要依據。

3.3　不同熱暴露條件下試件的塑性穩定性分析

由于高溫環境下Ti60鈦合金易發生塑性變形并產生熱疲勞等現象，因此有必要在上述研究的基礎上進一步分析不同熱暴露條件下材料的塑性熱穩定性。采用熱膨脹系數評估合金在高溫環境中的熱穩定性。通過測試，得到不同熱暴露條件下的試驗結果(見表5)。

表5　不同熱暴露條件下的試驗結果

注:1ppm=1×10??。

由表5可知，Ti60鈦合金的熱膨脹系數隨熱暴露溫度升高和時間延長呈系統性下降趨勢。在500℃熱暴露條件下，隨著時間從3h延長至90h，材料在1000℃、1100℃和1200℃測試溫度下的熱膨脹系數分別從9.2ppm、10.1ppm及11.3ppm下降至8.5ppm、9.2ppm及10.1ppm;而在550℃條件下，同期熱膨脹系數從8.9ppm、9.7ppm及10.8ppm降至7.9ppm、8.6ppm及9.5ppm，降幅更為顯著。這種變化機理主要源于高溫熱暴露引發的材料微觀結構演變:α相→β相轉變導致晶體結構致密化，降低了熱膨脹能力；晶界弱化與元素偏聚改變了原子振動模式；次生α相和β相的析出對晶格畸變產生約束作用，共同導致熱膨脹系數下降。特別是在550℃高溫下，元素擴散與相變過程加速，組織更快趨于穩定，使得熱膨脹系數降低更明顯。當熱膨脹系數低于9.0ppm時，材料進入塑性不穩定區間，材料會發生劣化。因此，熱膨脹系數的下降反映了Ti60鈦合金在高溫長時間熱暴露后微觀結構的不可逆變化，這些變化通過相變、晶界演化和析出行為共同作用，導致材料塑性穩定性降低，也表明控制熱暴露溫度在500℃以下是維持其塑性性能的關鍵措施。

4、結束語

本研究旨在分析高溫熱暴露環境下機械磨具用Ti60鈦合金的塑性性能，成功地揭示了高溫熱暴露環境下Ti60鈦合金的組織演變規律與塑性性能變化機制，為機械磨具材料的設計和應用提供了重要的理論依據和實踐指導。

1)熱暴露溫度和時間對Ti60鈦合金塑性性能具有顯著影響，500℃以下熱暴露能保持較好的塑性穩定性，而550℃熱暴露會導致塑性應變明顯下降。

2)熱拉伸溫度升高能夠部分補償熱暴露造成的性能損失，1200℃高溫拉伸條件下塑性應變最大，表現出最佳的塑性變形能力。

3)長時間熱暴露(400h)會引發α相粗化、晶界弱化和元素偏聚，導致塑性應變大幅下降，表明材料組織發生不可逆劣化。

4)熱膨脹系數變化與塑性性能劣化具有顯著相關性，當熱膨脹系數低于9.0ppm時，材料進入塑性不穩定區間。

雖然在研究中取得了重要發現，但仍需進一步探索Ti60鈦合金在更復雜工況下的性能演變規律。未來研究將重點關注:超長時間熱暴露的影響機制、多場耦合(熱-力-環境)條件下的性能劣化規律。相信隨著研究的持續深入和技術的不斷創新，Ti60鈦合金在高端裝備制造領域的應用前景將更加廣闊，為推動制造業高質量發展作出更大貢獻。

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（注，原文標題：熱暴露對機械磨具用Ti60鈦合金材料塑性性能的影響研究_周東）