含硼鈦合金高溫變形及組織性能研究.pdf

1、鈦合金具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，在航空航天、汽車、船舶、生物材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。通常，鑄造鈦合金的晶粒非常粗大，需要在高溫開(kāi)坯鍛造破碎粗大的晶粒，并通過(guò)再結(jié)晶獲得細(xì)小的等軸組織，但開(kāi)坯鍛造過(guò)程增加了生產(chǎn)工時(shí)、工件成本和能耗。通過(guò)一定手段細(xì)化鑄錠晶粒尺寸，并限制其在高溫的長(zhǎng)大過(guò)程，從而提高其塑性成形能力，鑄態(tài)合金有可能省略開(kāi)坯工序而直接軋制獲得所需的板材，這對(duì)于降低生產(chǎn)成本、縮短工時(shí)和降低能耗無(wú)疑都是有益的。依據(jù)這一思路，本文研究

2、了少量B/TiB2對(duì)?+?型（Ti-6Al-4V）和近?型（Ti-B20）兩類典型鈦合金的晶粒細(xì)化作用、B/TiB2與Ti反應(yīng)原位生成的Ti B晶須對(duì)高溫?zé)岜┞稌r(shí)晶粒長(zhǎng)大的限制作用、含硼鈦合金的直接軋制成形能力、直接軋制獲得軋板的組織和性能以及常規(guī)鍛造/熱處理對(duì)含硼鈦合金組織和性能的影響。研究中綜合運(yùn)用了XRD、SEM、TEM、EBSD及萬(wàn)能強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)等現(xiàn)代分析和測(cè)試手段，表征了鑄態(tài)及軋態(tài)合金的顯微組織形貌、相結(jié)構(gòu)、織構(gòu)及力學(xué)性能。

3、r>　　對(duì)晶粒細(xì)化以及組織穩(wěn)定性的研究結(jié)果表明，少量 TiB2顯著細(xì)化了Ti-6Al-4V合金和Ti-B20合金的鑄態(tài)晶粒及?板片，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.32％的TiB2可以使晶粒尺寸減小約一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.32%也是細(xì)化效果的拐點(diǎn)，過(guò)多的TiB2添加不會(huì)使晶粒尺寸進(jìn)一步減小。TiB2對(duì)鈦合金的晶粒細(xì)化歸因于凝固過(guò)程中元素B在固-液界面前沿建立起的成分過(guò)冷，成分過(guò)冷導(dǎo)致固-液界面前沿熔體中?形核質(zhì)點(diǎn)的增加，從而促進(jìn)了晶粒細(xì)化。添加

4、TiB2較多時(shí)，富集在二次枝晶臂間的元素B與Ti反應(yīng)生成的Ti B晶須描繪出了室溫組織中的樹(shù)枝晶形態(tài)。
　　處于晶界的Ti B晶須能夠有效的釘扎晶界，防止在高溫保溫時(shí)的晶粒長(zhǎng)大，當(dāng) Ti B晶須的長(zhǎng)軸平行于晶界排列時(shí)，對(duì)晶粒長(zhǎng)大的釘扎效果最明顯。晶粒增長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)分析表明，相對(duì)于基體合金，含硼鈦合金具有更高的晶粒長(zhǎng)大指數(shù)和激活能。
　　由于鑄態(tài)含硼鈦合金具有細(xì)小的晶粒尺寸，且在高溫保溫時(shí)晶粒尺寸沒(méi)有發(fā)生明顯的長(zhǎng)大，這提高了其塑性

5、變形時(shí)的成形能力，使得直接軋制具有可行性，鑄態(tài)合金不經(jīng)過(guò)開(kāi)坯鍛造過(guò)程進(jìn)行直接軋制，就能夠獲得較薄厚度的且沒(méi)有宏觀裂紋缺陷的板材。對(duì)板材的組織和性能分析顯示，直接軋制使Ti B晶須和初生?相都主要沿著軋制方向排列，隨著壓下率的增加，Ti-6Al-4V-0.1B合金和Ti-B20-0.1B合金中的初生?相都發(fā)生了明顯的再結(jié)晶過(guò)程。在真實(shí)應(yīng)變達(dá)到1.81時(shí)，Ti-6Al-4V-0.1B合金中的位錯(cuò)密度明顯降低，合金發(fā)生了完全的再結(jié)晶過(guò)程，從而

6、獲得了完全的等軸組織，晶粒主要分布在13μm范圍內(nèi)。由于基體組織的細(xì)化以及 Ti B晶須的承載作用，直接軋制過(guò)程顯著提高了含硼鈦合金的室溫和高溫力學(xué)性能。在兩相區(qū)軋制且壓下率為84%時(shí)，相比于鑄態(tài)合金， Ti-6Al-4V-0.1B合金室溫橫向抗拉強(qiáng)度提高了193MPa，而高溫屈服強(qiáng)度提高了182MPa。相比于直軋態(tài)的Ti-B20合金，直軋態(tài)Ti-B20-0.1B合金性能提高的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值相符。極圖分析顯示，Ti-6Al-4V-0.1

7、B合金性能的方向性差別不是由于織構(gòu)造成的，而是歸因于基體組織和Ti B晶須的定向排列。
　　鍛造/熱處理對(duì)Ti-B20-0.1B合金的組織和性能產(chǎn)生了明顯的影響。低溫固溶隨后短時(shí)間時(shí)效，合金基體組織中出現(xiàn)了無(wú)析出區(qū)，無(wú)析出區(qū)的存在降低了合金的強(qiáng)度和塑性等級(jí)，隨著固溶溫度的提高或時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，無(wú)析出區(qū)消失。固溶溫度和時(shí)間參數(shù)（時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間）共同決定了合金的力學(xué)性能，研究表明，Ti-B20-0.1B合金在780℃固溶隨后在55