西工大《JMPT》：解码650℃高温钛合金薄板/箔材弯曲成形行为及优化策略！
2024-11-12 15:02:58
作者：材料科学与工程 来源：材料科学与工程
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1.背景介绍高温钛合金板材因其具有高比强度、耐高温、耐腐蚀、良好的可加工性等优异的综合性能，被广泛应用于航天航空领域的关重件制备。弯曲是板材类构件加工的常用关键工艺，但其应力状态却十分复杂，因此精度控制具有较大的挑战性。在薄板/箔材的弯曲成形过程中，其弯曲性能和变形行为往往会表现出对尺寸参数的强烈依赖性，通常称这种现象为尺寸效应。另外，尺寸效应还会增强板材宏微观织构取向特征的影响，这很大程度上限制了钛合金薄板/箔材的服役和应用。目前，关于高性能钛合金薄板/箔材弯曲变形微观机制的研究工作并不系统，考虑初始织构和尺寸效应的相关工作则更鲜有报道。因此，阐明高温钛合金薄板/箔材在弯曲成形过程中的微观变形机理，不仅可以加深对该类合金变形组织和织构精确调控的认知，还可以为高温钛合金薄板/箔材构件的加工和应用提供重要的工艺和技术支撑。近日，西北工业大学李金山教授团队通过微观组织表征和晶体塑性有限元模拟等工作，系统阐述了耐温650℃近α型钛合金Ti65薄板/箔材的弯曲形变机制和影响因素。该工作深入对比分析了尺寸效应下Ti65合金薄板/箔材的弯曲性能和变形机制，阐明了弯曲过程中形成横向织构α相宏区的作用机理。基于全局施密特因子、晶格旋转理论和晶体塑性有限元模拟验证，准确建立了α相织构与Ti65箔材弯曲性能之间的具体联系，明确了提高Ti65合金箔材弯曲性能的最佳轧制工艺和织构类型。相关工作以题为“Bending properties and deformation micromechanisms of near-α titanium alloy sheets/foils considering initial texture characteristics and size effect”的研究论文发表在Journal of Materials Processing Technology。论文第一作者为博士研究生赵鼎，通讯作者为樊江昆特任研究员，通讯单位为西北工业大学。https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2024.118621
图1为热轧态(图1(a))和退火态(图1(b)(c))Ti65合金弯曲试样在凸模直径10倍(图1(a)(b))/3倍(图1(c))于试样厚度的弯曲条件下的宏观图像。α相晶粒尺寸细小的热轧态Ti65合金在弯曲过程中均匀形变，其回弹角与试样厚度呈负相关；α相晶粒尺寸粗大的退火态Ti65合金在弯曲过程中存在应变集中，其回弹角与试样厚度呈正相关，而弯曲角与试样厚度呈负相关。
图2 不同厚度和初始织构的Ti65合金试样在弯曲形变后的晶粒取向演变(IPF图)和应变集中分布情况(GROD图)图2(a)(b)展示了退火态单向轧制0.5 mm薄板试样的IPF图和GROD图，试样在弯曲过程中的变形不均匀程度非常显著，且中心处出现横向织构α相宏区。图2(c-h)展示了退火态单向/换向/交叉轧制0.1 mm箔材试样的IPF图和GROD图。箔材试样中表面层晶粒中靠近试样表面的一侧更容易观察到明显的应变集中(图2(i))，这是尺寸效应的弱化效应所致。由于表面层晶粒中靠近试样表面一侧处于自由状态，无法有效阻碍位错，因此其具有更低的流动应力和更弱的应变硬化行为。图3 弯曲试样在内侧(a)(d)、中心(b)(e)和外侧(c)(f)的α相织构演变情况图3展示了弯曲试样中α相在不同区域的演变差异。在弯曲正应力的压缩作用下，处在试样内侧的α相晶粒的极点的分布异常分散，对应织构强度仅3.6。相反，在弯曲正应力的拉伸作用下，处在试样外侧的α相晶粒的极点集中在RD，且对应织构强度高达7.5。在弯曲切应力的作用下，试样中心可以观察到明显的横向织构α相宏区，对应织构强度为39.7。图4 α相晶格在弯曲正应力(c)(e)(f)和弯曲切应力(b)(d)的作用的晶格旋转情况图4为弯曲过程中通过滑移系统激活诱发α相晶粒旋转的示意图。当弯曲切应力作用时，α相晶粒绕[100]轴旋转。在基面滑移和二阶锥面滑移的共同作用下，α相晶粒倾向转变为横向织构α相晶粒。在弯曲正应力的压缩作用下，当α相晶粒的[]轴平行轧向时，α相晶粒处于稳定状态。而在弯曲正应力的拉伸作用下，当α相晶粒的[100]轴平行轧向时，α相晶粒处于稳定状态。图5 滑移迹线-改良晶格旋转分析的具体流程(a-d)、箔材试样中α相晶粒的滑移系激活情况统计(e)(f)(g)和两种箔材试样中α相晶粒的全局施密特因子分布(h)图5通过遵循滑移迹线-改良晶格旋转分析，分别对退火态单向/换向/交叉轧制0.1 mm箔材弯曲试样的内侧和外侧处α相晶粒的滑移系激活情况进行定量统计。纵观三种箔材试样，激活柱面滑移的α相晶粒的占比在试样内侧和试样外侧都是十分接近的。然而，交叉轧制弯曲试样的α相晶粒在内侧和外侧存在基面滑移激活的明显不对称性。图6 通过晶体塑性有限元模拟获得的箔材试样中滑移系激活所产生的累积剪切应变分布(a)和累积剪切应变均值(b)图6通过三点弯曲晶体塑性有限元模拟进一步验证α相织构对Ti65合金箔材试样弯曲性能的影响机制。三种箔材试样的柱面滑移系的激活程度显著高于基面滑移系。柱面滑移系的激活程度基本是沿试样中心呈对称关系的。模拟的单向/换向轧制箔材试样的基面滑移系的激活程度同样沿试样中心呈对称关系。不同的是，模拟的交叉轧制试样的基面滑移在试样内侧的激活程度要显著高于在试样外侧的激活程度。根据上述研究结果，Ti65合金板箔材厚度及晶粒尺寸显著影响其弯曲角和回弹角。在尺寸效应的影响下，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合金箔材获得优异的弯曲性能。然而，若这些α相晶粒在试样外侧和内侧存在基面滑移激活能力的差异，箔材的弯曲性能将显著下降。基于此，确定了能够提高Ti65合金箔材弯曲性能的最佳轧制工艺及α相织构类型。单向轧制薄板在弯曲过程中容易形成横向织构α相宏区，尽管降低厚度会减小这种可能性，但仍应尽量避免选择此类工艺。经过换向轧制的Ti65合金箔材呈现基面偏TD型α相织构，这不仅避免了弯曲过程中产生横向织构α相宏区的潜在风险，还确保了箔材在弯曲过程中内外一致的变形协调性，从而赋予其优异的弯曲性能。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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