西工大《JMPT》：解碼650℃高溫鈦合金薄板/箔材彎曲成形行為及優化策略！
2024-11-12 15:02:58
作者：材料科學與工程 來源：材料科學與工程
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1.背景介紹高溫鈦合金板材因其具有高比強度、耐高溫、耐腐蝕、良好的可加工性等優異的綜合性能，被廣泛應用于航天航空領域的關重件制備。彎曲是板材類構件加工的常用關鍵工藝，但其應力狀態卻十分復雜，因此精度控制具有較大的挑戰性。在薄板/箔材的彎曲成形過程中，其彎曲性能和變形行為往往會表現出對尺寸參數的強烈依賴性，通常稱這種現象為尺寸效應。另外，尺寸效應還會增強板材宏微觀織構取向特征的影響，這很大程度上限制了鈦合金薄板/箔材的服役和應用。目前，關于高性能鈦合金薄板/箔材彎曲變形微觀機制的研究工作并不系統，考慮初始織構和尺寸效應的相關工作則更鮮有報道。因此，闡明高溫鈦合金薄板/箔材在彎曲成形過程中的微觀變形機理，不僅可以加深對該類合金變形組織和織構精確調控的認知，還可以為高溫鈦合金薄板/箔材構件的加工和應用提供重要的工藝和技術支撐。近日，西北工業大學李金山教授團隊通過微觀組織表征和晶體塑性有限元模擬等工作，系統闡述了耐溫650℃近α型鈦合金Ti65薄板/箔材的彎曲形變機制和影響因素。該工作深入對比分析了尺寸效應下Ti65合金薄板/箔材的彎曲性能和變形機制，闡明了彎曲過程中形成橫向織構α相宏區的作用機理。基于全局施密特因子、晶格旋轉理論和晶體塑性有限元模擬驗證，準確建立了α相織構與Ti65箔材彎曲性能之間的具體聯系，明確了提高Ti65合金箔材彎曲性能的最佳軋制工藝和織構類型。相關工作以題為“Bending properties and deformation micromechanisms of near-α titanium alloy sheets/foils considering initial texture characteristics and size effect”的研究論文發表在Journal of Materials Processing Technology。論文第一作者為博士研究生趙鼎，通訊作者為樊江昆特任研究員，通訊單位為西北工業大學。https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2024.118621
圖1為熱軋態(圖1(a))和退火態(圖1(b)(c))Ti65合金彎曲試樣在凸模直徑10倍(圖1(a)(b))/3倍(圖1(c))于試樣厚度的彎曲條件下的宏觀圖像。α相晶粒尺寸細小的熱軋態Ti65合金在彎曲過程中均勻形變，其回彈角與試樣厚度呈負相關；α相晶粒尺寸粗大的退火態Ti65合金在彎曲過程中存在應變集中，其回彈角與試樣厚度呈正相關，而彎曲角與試樣厚度呈負相關。
圖2 不同厚度和初始織構的Ti65合金試樣在彎曲形變后的晶粒取向演變(IPF圖)和應變集中分布情況(GROD圖)圖2(a)(b)展示了退火態單向軋制0.5 mm薄板試樣的IPF圖和GROD圖，試樣在彎曲過程中的變形不均勻程度非常顯著，且中心處出現橫向織構α相宏區。圖2(c-h)展示了退火態單向/換向/交叉軋制0.1 mm箔材試樣的IPF圖和GROD圖。箔材試樣中表面層晶粒中靠近試樣表面的一側更容易觀察到明顯的應變集中(圖2(i))，這是尺寸效應的弱化效應所致。由于表面層晶粒中靠近試樣表面一側處于自由狀態，無法有效阻礙位錯，因此其具有更低的流動應力和更弱的應變硬化行為。圖3 彎曲試樣在內側(a)(d)、中心(b)(e)和外側(c)(f)的α相織構演變情況圖3展示了彎曲試樣中α相在不同區域的演變差異。在彎曲正應力的壓縮作用下，處在試樣內側的α相晶粒的極點的分布異常分散，對應織構強度僅3.6。相反，在彎曲正應力的拉伸作用下，處在試樣外側的α相晶粒的極點集中在RD，且對應織構強度高達7.5。在彎曲切應力的作用下，試樣中心可以觀察到明顯的橫向織構α相宏區，對應織構強度為39.7。圖4 α相晶格在彎曲正應力(c)(e)(f)和彎曲切應力(b)(d)的作用的晶格旋轉情況圖4為彎曲過程中通過滑移系統激活誘發α相晶粒旋轉的示意圖。當彎曲切應力作用時，α相晶粒繞[100]軸旋轉。在基面滑移和二階錐面滑移的共同作用下，α相晶粒傾向轉變為橫向織構α相晶粒。在彎曲正應力的壓縮作用下，當α相晶粒的[]軸平行軋向時，α相晶粒處于穩定狀態。而在彎曲正應力的拉伸作用下，當α相晶粒的[100]軸平行軋向時，α相晶粒處于穩定狀態。圖5 滑移跡線-改良晶格旋轉分析的具體流程(a-d)、箔材試樣中α相晶粒的滑移系激活情況統計(e)(f)(g)和兩種箔材試樣中α相晶粒的全局施密特因子分布(h)圖5通過遵循滑移跡線-改良晶格旋轉分析，分別對退火態單向/換向/交叉軋制0.1 mm箔材彎曲試樣的內側和外側處α相晶粒的滑移系激活情況進行定量統計。縱觀三種箔材試樣，激活柱面滑移的α相晶粒的占比在試樣內側和試樣外側都是十分接近的。然而，交叉軋制彎曲試樣的α相晶粒在內側和外側存在基面滑移激活的明顯不對稱性。圖6 通過晶體塑性有限元模擬獲得的箔材試樣中滑移系激活所產生的累積剪切應變分布(a)和累積剪切應變均值(b)圖6通過三點彎曲晶體塑性有限元模擬進一步驗證α相織構對Ti65合金箔材試樣彎曲性能的影響機制。三種箔材試樣的柱面滑移系的激活程度顯著高于基面滑移系。柱面滑移系的激活程度基本是沿試樣中心呈對稱關系的。模擬的單向/換向軋制箔材試樣的基面滑移系的激活程度同樣沿試樣中心呈對稱關系。不同的是，模擬的交叉軋制試樣的基面滑移在試樣內側的激活程度要顯著高于在試樣外側的激活程度。根據上述研究結果，Ti65合金板箔材厚度及晶粒尺寸顯著影響其彎曲角和回彈角。在尺寸效應的影響下，兼具柱面滑移和基面滑移激活能力的α相晶粒更有助于Ti65合金箔材獲得優異的彎曲性能。然而，若這些α相晶粒在試樣外側和內側存在基面滑移激活能力的差異，箔材的彎曲性能將顯著下降。基于此，確定了能夠提高Ti65合金箔材彎曲性能的最佳軋制工藝及α相織構類型。單向軋制薄板在彎曲過程中容易形成橫向織構α相宏區，盡管降低厚度會減小這種可能性，但仍應盡量避免選擇此類工藝。經過換向軋制的Ti65合金箔材呈現基面偏TD型α相織構，這不僅避免了彎曲過程中產生橫向織構α相宏區的潛在風險，還確保了箔材在彎曲過程中內外一致的變形協調性，從而賦予其優異的彎曲性能。Ding Zhao, Kaidi Li, Jiangkun Fan, et al. Bending properties and deformation micromechanisms of near-α titanium alloy sheets/foils considering initial texture characteristics and size effect. Journal of Materials Processing Technology, 2024: 118621.
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