温度/超声/速度复合能场对BT14钛合金性能与组织的耦合影响：拉伸实验表明提升温度、加大超声功率、降低速度可同步优化强塑性，构件性能满足航空航天高强度、高塑性要求，为钛合金复合能场成形技术工业化应用奠定基础

钛合金作为上世纪50年代兴起的重要金属材料，具有比强度高、耐腐蚀性强、耐高低温性好等优点，在航空航天等领域得到了广泛应用。如飞机蒙皮、隔热板、导风板等非承力结构件，以及隔框、梁、襟等结构件，随着飞机机型不断更新换代，钛合金用量在飞机中的占比不断提升。如我国C919大飞机钛合金质量占比为9.3%，新一代大飞机C929钛合金质量预计将增加至15%[1-2]。

然而，大多数钛合金室温下成形困难且质量不高，通常采用加热方式降低钛合金变形抗力、提高塑性变形能力3-4。宗影影等对BT14钛合金进行了高温压缩实验，结果表明，应力随着温度的升高显著下降。丁嘉健等[6]对TC4钛合金进行拉伸实验,结果表明,室温下材料伸长率为10%、抗拉强度为1100MPa,当温度升至800℃时，伸长率提高至17%，抗拉强度降至100MPa。谢洪志等[7]对Ti65钛合金板材在740~840℃进行了拉伸实验，结果表明，随着温度升高，应力峰值减小、应变率增大，断裂主要由微孔聚集引起，温度越高等轴韧窝数量越多,越有利于塑性的提高。

另外,成形过程中对坯料或模具施加一定能量的超声振动，也可以提高材料塑性变形能力和成形质量[8]。ZHAO等[9]在Ti-6Al-4V钛合金滚压过程施加超声振动后,不仅降低了材料流动应力,同时还提高了滚压质量。GAO等[10]在钛合金TA2板材胀形过程中施加超声振动后,不仅减小摩擦对胀形过程的影响,还提高了板材的成形极限。与此同时,高温条件下加载速度对钛合金的塑性也有影响  [11]。蔡刚  [12]进行的BT25钛合金高温压缩实验，结果表明，降低加载速度可以减小流变应力。杨晓明[13]进行的TC4钛合金高温压缩实验结果也表明，降低加载速度可降低成形力，提高断裂应变。

为了探索变形温度、超声振动与加载速率对钛合金的作用规律，本文作者开展了BT14钛合金板材在温度/超声/速度复合能场下的拉伸性能研究，分析了复合能场对钛合金板材的抗拉强度、伸长率等力学性能及显微组织的影响规律。

1、实验材料、装置及方案

1.1材料

BT14(Ti-4.5Al-3Mo-1V)是一种可通过热处理强化的α+β型结构钛合金，室温下抗拉强度可达1100 MPa;另外,BT14钛合金还具备较好的焊接性能和热稳定性，主要应用于航空航天领域的高强度结构件、紧固件及高压容器等。BT14钛合金化学成分见表1。

表1 BT14化学成分(质量分数/%)

1.2装置

实验装置如图1所示。在传统拉伸实验机上，通过增加温度控制装置、超声振动装置实现不同温度、超声振动及拉伸速率下的变形。其中，温度控制装置由温控控制器、加热炉、循环水冷等组成，超声振动装置由变幅杆、换能器、超声波发生器等组成。

1.3方案

实验用坯料尺寸如图2所示。厚度为0.8mm。考虑到BT14钛合金的使用温度及材料性能,实验温度分别为500,550,600,650℃;超声振动频率为20kHz，功率分别为1.0,1.2,1.4kW;拉伸速度分别为0.5，1.0,2.0,3.0mm/min。具体实验方案见表2。每个实验重复6次，取平均值。

表2实验方案

2、结果及分析

2.1温度场对材料性能的影响

图3为不同温度下BT14钛合金应力-应变曲线。拉伸速度为1mm/min。可以看出，随着温度的升高抗拉强度明显下降、伸长率逐渐提高。抗拉强度由500℃时的489.3 MPa降至650℃时的166.58 MPa,下降幅度为65.96%。伸长率由500℃时的16.22%提高到650℃时的34.86%,提升幅度为115%。这是由于随着温度升高，原子扩散能力增强，位错阻力降低，钛合金强度降低、变形能力增强,呈现较为明显的“材料高温软化”效果。

2.2温度/超声复合能场对材料性能的影响

图4为不同温度/超声复合能场下BT14钛合金应力-应变曲线(拉伸速度为1mm/min)。在500℃较低温度下，施加振动功率为1.0,1.2,1.4kW超声后，材料抗拉强度分别降低了3.8%,7.6%,8.5%;而在650℃较高温度下,抗拉强度分别降低了17.8%,26.7%,42.3%;随着温度升高，材料抗拉强度下降幅度呈上升趋势。由图4还可以看出，BT14钛合金伸长率在500℃较低温度下,施加超声振动功率1.0,1.2,1.4kW后,材料伸长率分别提高了8.9%、22.5%、26.6%;而在650℃较高温度下,伸长率分别提高了7.3%,11.8%,13.1%,随着温度升高，材料伸长率提高幅度呈下降趋势。这是由于温度/超声复合能场拉伸过程，超声带来的振动及应力叠加效应，使材料激活能增大，原子扩散能力增强，位错阻力降低，“材料高温软化”效果进一步增强，因此强度降低幅度较大。BT14钛合金在500℃的伸长率较小,施加超声振动后提高幅度较为明显,而650℃的伸长率较大，施加超声振动后提高幅度较小，但总体而言材料伸长率均有不同程度的提高。

2.3温度/超声/速度复合能场对材料性能影响

图5为不同温度/超声/速度下对BT14钛合金抗拉强度及伸长率的变化曲线。可见，提高温度、加大超声振动功率、降低加载速度都可以明显地降低材料抗拉强度。在高温状态下，加载速度对抗拉强度的影响较为敏感，在低温下变化幅值不大。如500℃/1.4kW/3mm/min时的抗拉强度为482MPa,比0.5mm/min时的抗拉强度440.4MPa提高了9.4%;而在600℃/1.4kW/3mm/min时的抗拉强度为276MPa,比0.5mm/min时的抗拉强度170MPa提高了62.4%。这是由于温度较低时，材料的加工硬化较为明显，因此受加载速度的影响较小;温度较高时，材料软化效果明显，加载速度的变化对材料性能的影响更为显著。

由图5还可以看出，温度、超声振动和加载速度也会影响BT14钛合金的伸长率，但温度占主导地位。在温度较低时，加载速度对伸长率的影响大于超声振动，但随着温度的升高，超声振动的影响大于加载速度的影响。这是因为加载速度越小，材料在一定温度条件下的时间越长，材料内部能量积累越大，材料软化更加彻底，但随着温度的升高导致材料内部能量的不断增大，从而使其影响逐渐减弱。

3、显微组织分析

为了进一步研究温度/超声/速度复合能场对BT14钛合金材料性能的影响机理，对典型拉伸试件进行了显微组织观察。对金相样品进行了镶嵌，打磨抛光至镜面,使用体积比为1:3:87的HF:HNO₃:H₂O腐蚀液腐蚀15s后，用Olympus光学显微镜进行观察。

图6为不同温度/超声/速度下的BT14钛合金的显微组织。对比图6a、b可知，随着温度的升高，β相向α相转化，低温时的纤维状α相长大，并连在一起形成等轴状α相，组织由双态组织向等轴组织转化，宏观上表现为钛合金在高温条件下塑性增强，与实验结果一致。对比图6a、c可知，同等条件下施加超声振动后α相及β相均转化为体积更小且形状更细碎的等轴状，晶粒得到细化，从而提升了材料的塑性。对比图6c、d可知,当拉伸速度为较大的3mm/min时,β相更为密集且晶粒尺寸也更大，纤维状α相也更多;降低速度后，β相向α相转化更为彻底，晶粒尺寸减小，从而使材料的塑性变形能力更强，这与实验结果一致。

4、结论

1)在不同温度/超声/速度复合能场下对BT14钛合金材料进行了拉伸实验，结果表明，提升加热温度、增加超声振动、降低加载速度可以减小材料抗拉强度、提高伸长率，进一步提升了材料塑性变形能力。

2)在影响BT14钛合金材料拉伸性能因素中,加热温度占主导地位，超声振动和拉伸速度的影响幅值相近。温度较低时，拉伸速度对伸长率的影响较大;温度较高时，超声振动对伸长率的影响较大。同时也说明在高温情况下，可通过施加超声振动能场来减小拉伸速度的影响，实现在较高速度条件下材料成形。

3)对拉伸试件断裂处进行显微组织分析，结果表明，提高温度可使α相增加，纤维状α相转变成等轴状α相,组织由双态组织向等轴组织转化;施加超声振动可以使晶粒尺寸减小，晶粒得到细化使塑性增强;降低加载速度可以使β相向α相的转化更彻底。

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（注，原文标题：温度超声速度对BT14钛合金拉伸性能的影响）