高温长时热暴露工况下机械模具关键构件Ti60钛合金棒塑性衰减规律研究：基于微观组织表征与热拉伸试验

1、序言

Ti60钛合金是一种具有优异性能的金属材料，广泛应用于制造各类机械磨具设备。Ti60钛合金有着高强度、耐腐蚀的特点，其中高强度是指Ti60钛合金具有出色的抗拉强度和屈服强度，能够承受较大的载荷和冲击力。耐腐蚀指的是该合金具有良好的耐腐蚀性能，能够在恶劣的环境条件下长时间稳定运行。同时该合金易于加工成各种复杂形状和结构，能够满足机械磨具设备生产的多样化需求。然而在高温长时间热暴露环境下，机械磨具用Ti60钛合金的性能会受到严重影响，其中塑性性能的退化是重点关注的问题之一。Ti60钛合金塑性性能的退化可能会造成以下后果:①力学性能下降:塑性性能是金属材料的重要性能之一，其反映了金属材料在受力作用下的变形能力[2]。如果Ti60钛合金的塑性性能退化，其力学性能可能会受到影响，如强度、硬度、韧性等可能降低。②结构完整性受损:在机械磨具中，如冲压模具的凸模/凹模、注塑模具的型芯/型腔、挤压模具的导流套等，Ti60钛合金被用于制作关键部件。如果其塑性性能退化，则可能导致这些部件的结构完整性受损，从而影响设备的性能和安全性。因此，为确保机械磨具的安全和性能，需密切关注Ti60钛合金的塑性性能退化情况。

目前，众多学者针对Ti60钛合金应用性能展开研究，并已取得一定研究成果。如张群兵等[3]采用激光焊接技术对TC17/Ti60异种钛合金进行焊接，系统研究了焊接接头的宏观形貌、微观组织、显微硬度、拉伸性能及低周疲劳性能。舒宗富等⁴过激光熔覆技术制备Ti60钛合金，重点分析了工艺参数对成形质量、微观组织及拉伸性能的影响。CHEN等[5]研究了不同温度下Ti60钛合金的高周疲劳性能。然而，上述研究均未分析机械磨具用Ti60钛合金在高温长时间热暴露环境下的塑性性能。由于高温长时间热暴露环境下材料性能变化非常复杂，因此还需进一步深入研究和探索。

基于此，开展热暴露对机械磨具用Ti60钛合金材料塑性性能的影响研究，为提高机械磨具的安全性和使用寿命研究提供理论支持和技术指导。

2、材料制备与测试方法

2.1　试验材料

选取直径为8mm，长度为300mm的钛合金棒材作为试验材料，其化学成分见表1。

表1　Ti60钛合金化学成分(质量分数)(%)

采用的试验材料为Ti60钛合金棒材，制备工艺为精密的热加工工艺。该合金铸锭采用多级真空自耗熔炼工艺制备，确保材料纯净度达到高性能要求。在后续热加工过程中，首先在高于相变点的温度区间进行开坯锻造以破碎初始铸态组织，随后在两相区温度范围内实施多向反复变形处理⁶。这种特殊的热加工工艺促使材料发生充分的动态再结晶过程，最终形成具有优异均匀性的等轴细晶组织，具体如图1所示。

从图1可看出，经过优化的工艺处理后获得的锻态组织呈典型的再结晶形貌特征，晶界结构呈理想的模糊化状态，具有良好的组织均匀性和稳定性，晶粒尺寸为30~40μm。为保障试验数据的代表性，所有试样均采用线切割，沿棒材轴向1/2半径处取样，以备后续测试。

2.2　热暴露试验条件设计

Ti60钛合金的高温热暴露测试装置如图2所示。

该设备是一款高性能热力学试验系统，可用于各种金属材料试样的热变形、热处理等试验，并可实时采集数据，用于分析材料性能。该设备技术指标卓越，温度范围覆盖室温至1450℃，控温精度达±1℃;采用电阻加热方式，配备热传递冷却、压缩空气冷却和气雾冷却3种冷却模式;支持真空和氩气气氛保护试验环境，可满足不同试验需求。应用该设备设置不同的电加热温度与时间，以分析材料性能，具体测试参数见表2。

表2　具体测试参数设计

在以上测试环境中，实施机械磨具用Ti60钛合金塑性性能的测试与分析。

2.3　性能测试

(1)显微组织对比测试：对所有热处理后的金相试样通过精车加工去除表面1mm氧化层，然后依次采用400#、800#、1000#、1500#及2000#砂纸进行粗磨和细磨，最终采用金刚石悬浊液进行抛光和清洗，确保金相观察面无划痕或杂质颗粒。采用Kroll腐蚀液(3%HF+10%HNO₃+87%H₂O)对金相观察面进行腐蚀，并在Olympus-GX71型光学显微镜下观察显微组织。对用于EBSD分析的试样进行电解抛光，电解液采用高氯酸、甲醇和正丁醇的混合溶液，比例依次为1:6:3，在SUPRA_55型设备上完成扫描电镜观察。对比不同温度(500℃/550℃)和时间(3~90h)热暴露后试样的微观组织。

(2)塑性性能测试：包括高温轴向拉伸性能测试与热膨胀稳定性测试。

1)高温轴向拉伸性能测试。采用线切割将制备的Ti60钛合金加工成4种尺寸的小圆柱，分别为Φ8mm×18mm、Φ8mm×16mm、Φ8mm×14mm及Φ8mm×12mm。在圆柱试样的端面放置垫片以减小摩擦[8]。将4种尺寸圆柱作为拉伸试样，通过Gleeble-3500热模拟试验机模拟高温热暴露环境，并开展恒温热拉伸塑性性能测试试验，具体试验方案如下:设置试验机应变速率为0.01 s⁻¹，利用试验机实施单道次热拉伸，其工艺规程如图3所示。

在试验中，利用试验机的处理系统采集试验数据。由于在径向应变测量过程中试验机的C-Strain传感器可能出现偏差，因此在本次试验中采取轴向应变测量方式，即通过冲程控制实时采集试样长度与载荷数据变化[9]。基于测量数据，计算材料的塑性应变φ，其表达式如下。

式中：δ——试验机记录的实时载荷(N)；

C₀——试样原始直径(mm)；

x——试样瞬时长度(mm)；

x₀——试样原始长度(mm)。

依据式(1)，得到各试样的塑性应变，并分析其塑性性能。

2)热膨胀稳定性测试。采用热膨胀仪测试各试件的塑性热稳定性能。将试样放置在热膨胀仪的样品台上，轴向施加5N预紧力，以确保试样被固定牢固，防止在测试期间发生位移。设置热膨胀仪的温度控制系统，以10℃/min升温速率在氩气保护气氛下进行测试，然后启动热膨胀仪开始测试[10]。测试温度范围覆盖室温~550℃，以匹配热暴露试验条件。测试期间，仪器会自动记录和采集试样长度(随温度变化的)数据。完成测试后，可使用热膨胀仪所测量的数据，计算试样的热膨胀系数α，其公式如下。

式中：ΔT——温度变化；

ΔL——在温度变化下的长度变化量；

L₀ ——材料在参考温度下的初始长度(mm)。

依据式(2)，获得热膨胀系数随温度变化曲线，以此评估材料在不同热暴露条件下的稳定性。

3、测试性能分析

3.1　微观组织分析

在对热暴露完成后的试样进行预处理后，采用FE-SEM SUPRA_55型设备进行微观组织形貌观察，并获得显微组织，结果如图4所示。

统计不同热暴露条件下Ti60钛合金平均晶粒尺寸，结果见表3。

表3　不同热暴露条件下Ti60钛合金平均晶粒尺寸

图4所示的显微组织清晰地展示了Ti60钛合金在不同热暴露条件下的相变行为和组织演化特征。

通过扫描电镜系统观察发现，Ti60钛合金在500℃和550℃两个典型温度下的组织演变呈现出明显的差异性和规律性。

从图4及表3数据可知，在短时热暴露阶段(3~9h)，两种温度处理的试样中初生α相均保持相对稳定，其体积分数和晶粒尺寸未见显著变化，平均晶粒尺寸由初始的30~40μm缓慢增长至35μm(500℃×9h)和45μm(550℃×9h)，表明短时热力学扰动尚不足以引发明显的相变重组。值得注意的是，此时在初生α相边缘区域已开始出现少量块状α相析出，这种局部相变行为主要受限于低温条件下Al、Sn等合金元素的扩散能力不足。随着热暴露时间延长至60h，温度对组织演变的调控作用开始显著体现。在500℃处理的试样中，平均晶粒尺寸增长至42μm，初生α相周围逐渐形成离散分布的块状α相，这些新相与原始初生α相保持着清晰的相界，且被次生α相有效分隔，反映出中温条件下相变过程的渐进性和局域性特点。相比之下，550℃处理的试样平均晶粒尺寸显著增加至58μm，块状α相不仅数量显著增加，而且开始形成连续的三维网络结构，相界逐渐模糊化，直观展示了高温对相变动力学和粗化过程的加速作用。当热暴露时间达到90h时，温度效应带来的组织差异更加显著。500℃处理的试样平均晶粒尺寸增至48μm，虽然块状α相数量持续增加，但次生α相仍然发挥着有效的空间隔离作用，阻止了组织的完全粗化。而550℃处理的试样平均晶粒尺寸已达到65μm，基本完成组织均质化过程，形成典型的等轴α相粗晶结构，次生α相的完全消失标志着系统已达到更稳定的热力学平衡状态。这种差异本质上反映了温度对扩散过程的决定性影响:在较低温度下，受限的原子扩散导致组织演化呈阶段性特征;而高温条件通过显著增强元素互扩散能力，不仅加速了相变过程，更促进了组织的整体均匀化和稳定化。

3.2　不同热暴露条件下试件的塑性性能分析

塑性应变能够更精确地量化材料在发生失稳前的均匀变形能力，这直接决定了材料在热加工过程中的成形极限和充填性能，因此选取塑性应变作为性能评估指标。在0.01 s⁻¹的应变速率与不同的热拉伸温度下，利用试验机测试不同热暴露温度与时间下Ti60钛合金试件的塑性应变，分析其塑性性能，结果见表4。

在相同热暴露温度条件下，随着热暴露时间的延长，塑性应变呈明显的下降趋势。以500℃热暴露为例，当热暴露时间从3h延长至90h时，1000℃拉伸温度下的塑性应变从1230 με降至980 με；1100℃下从1450 με降至1220 με；1200℃下从1680 με降至1500 με，降幅为10.7%。这种趋势在550℃热暴露条件下更为显著。值得注意的是，在1200℃高温拉伸条件下，不同热暴露时间导致的性能差异相对较小，这表明高温环境能够部分抵消长时间热暴露带来的不利影响。对比不同热暴露温度的影响可发现，550℃处理试样的塑性应变普遍低于500℃试样。以3h热暴露为例，550℃处理试样在3个测试温度下的塑性应变相较于500℃试样分别降低4.1%、3.4%和1.8%;而在90h长时间热暴露后，这一差异扩大至9.2%、7.4%和6.7%。这种温度效应随着热暴露时间的延长而增强的现象，可能与高温条件下组织演变速率加快有关。

通过显微组织演变分析发现，这种塑性性能的下降主要源于热暴露过程中α相的持续粗化及次生α相的析出行为，这些组织变化显著增大了位错运动的阻力。随着热暴露时间从3h延长至90h，晶界弱化和元素偏聚现象加剧，导致塑性应变降低。值得注意的是，在1200℃高温测试条件下，不同热暴露试样之间的性能差异有所减小，这表明高温环境能够通过动态再结晶过程部分修复热暴露导致的组织缺陷。为验证极端条件下的性能演变规律，开展了在550℃、热拉伸温度1200℃、400h的超长时间的测试分析，如图5所示。

表4　不同热暴露条件下温度、时间与塑性应变的关系

从图5可知，与短时热暴露相比，400h热暴露导致塑性应变大幅降低，如在1200℃拉伸条件下，塑性应变从1375με降至约1000με。结合显微组织分析可知，超长时间热暴露加剧了α相粗化、晶界弱化和元素偏聚，同时晶界蠕变和位错密度的变化进一步阻碍了位错运动，使材料塑性变形能力显著下降。尽管1200℃高温拉伸可能通过动态再结晶部分修复组织缺陷，但400h热暴露引起的结构损伤已超出其补偿能力。这一结果提示，在高温长时间服役环境中需严格控制Ti60钛合金的热暴露时间或采取防护措施，以避免因组织不可逆劣化导致的塑性性能丧失，本研究为材料在极端条件下的可靠性评估提供了重要依据。

3.3　不同热暴露条件下试件的塑性稳定性分析

由于高温环境下Ti60钛合金易发生塑性变形并产生热疲劳等现象，因此有必要在上述研究的基础上进一步分析不同热暴露条件下材料的塑性热稳定性。采用热膨胀系数评估合金在高温环境中的热稳定性。通过测试，得到不同热暴露条件下的试验结果(见表5)。

表5　不同热暴露条件下的试验结果

注:1ppm=1×10⁻⁶。

由表5可知，Ti60钛合金的热膨胀系数随热暴露温度升高和时间延长呈系统性下降趋势。在500℃热暴露条件下，随着时间从3h延长至90h，材料在1000℃、1100℃和1200℃测试温度下的热膨胀系数分别从9.2ppm、10.1ppm及11.3ppm下降至8.5ppm、9.2ppm及10.1ppm;而在550℃条件下，同期热膨胀系数从8.9ppm、9.7ppm及10.8ppm降至7.9ppm、8.6ppm及9.5ppm，降幅更为显著。这种变化机理主要源于高温热暴露引发的材料微观结构演变:α相→β相转变导致晶体结构致密化，降低了热膨胀能力；晶界弱化与元素偏聚改变了原子振动模式；次生α相和β相的析出对晶格畸变产生约束作用，共同导致热膨胀系数下降。特别是在550℃高温下，元素扩散与相变过程加速，组织更快趋于稳定，使得热膨胀系数降低更明显。当热膨胀系数低于9.0ppm时，材料进入塑性不稳定区间，材料会发生劣化。因此，热膨胀系数的下降反映了Ti60钛合金在高温长时间热暴露后微观结构的不可逆变化，这些变化通过相变、晶界演化和析出行为共同作用，导致材料塑性稳定性降低，也表明控制热暴露温度在500℃以下是维持其塑性性能的关键措施。

4、结束语

本研究旨在分析高温热暴露环境下机械磨具用Ti60钛合金的塑性性能，成功地揭示了高温热暴露环境下Ti60钛合金的组织演变规律与塑性性能变化机制，为机械磨具材料的设计和应用提供了重要的理论依据和实践指导。

1)热暴露温度和时间对Ti60钛合金塑性性能具有显著影响，500℃以下热暴露能保持较好的塑性稳定性，而550℃热暴露会导致塑性应变明显下降。

2)热拉伸温度升高能够部分补偿热暴露造成的性能损失，1200℃高温拉伸条件下塑性应变最大，表现出最佳的塑性变形能力。

3)长时间热暴露(400h)会引发α相粗化、晶界弱化和元素偏聚，导致塑性应变大幅下降，表明材料组织发生不可逆劣化。

4)热膨胀系数变化与塑性性能劣化具有显著相关性，当热膨胀系数低于9.0ppm时，材料进入塑性不稳定区间。

虽然在研究中取得了重要发现，但仍需进一步探索Ti60钛合金在更复杂工况下的性能演变规律。未来研究将重点关注:超长时间热暴露的影响机制、多场耦合(热-力-环境)条件下的性能劣化规律。相信随着研究的持续深入和技术的不断创新，Ti60钛合金在高端装备制造领域的应用前景将更加广阔，为推动制造业高质量发展作出更大贡献。

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（注，原文标题：热暴露对机械磨具用Ti60钛合金材料塑性性能的影响研究_周东）