TB6和TA15鈦合金β鍛組織演變及動態(tài)再結(jié)晶行為研究.pdf

1、近年來，隨著航空材料以傳統(tǒng)滿足單純的靜強度設(shè)計向現(xiàn)代損傷容限設(shè)計轉(zhuǎn)變，對鈦合金提出了損傷容限的要求。為了適應(yīng)這種選材判據(jù)的變化，采取對鈦合金β鍛是一種主要技術(shù)途徑。鈦合金在β鍛時因加熱溫度超過β相變點，β晶粒長大傾向特別大，極易形成粗晶組織，并導(dǎo)致隨后的“組織遺傳性”，而鈦合金動態(tài)再結(jié)晶是細(xì)化β晶粒的有效手段之一。作者以鍛態(tài)和鑄態(tài)為初始組織的TB6鈦合金以及雙態(tài)為初始組織的TA15鈦合金為研究對象，通過等溫恒應(yīng)變速率熱模擬壓縮試驗，對其

2、β鍛過程中的動態(tài)再結(jié)晶行為及微觀組織演變規(guī)律進(jìn)行了研究，并構(gòu)建描述其微觀組織規(guī)律的相關(guān)模型。研究結(jié)果對TB6及TA15鈦合金β鍛過程中β晶粒細(xì)化及鈦合金β鍛的發(fā)展具有重要的理論指導(dǎo)意義和實際應(yīng)用價值。
　　 論文系統(tǒng)性地研究了TB6(鍛態(tài)和鑄態(tài))和TA15(雙態(tài))鈦合金β鍛過程中動態(tài)再結(jié)晶行為。結(jié)果表明，鍛態(tài)TB6鈦合金的動態(tài)再結(jié)晶形核僅出現(xiàn)在原始晶界附近，其對應(yīng)的再結(jié)晶發(fā)生機制為不連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶；鑄態(tài)TB6鈦合金的動態(tài)再結(jié)晶形

3、核主要出現(xiàn)在原始晶界和β晶粒內(nèi)部兩類地點，其再結(jié)晶發(fā)生機制分別對應(yīng)著不連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶和連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶；雙態(tài)TA15鈦合金的動態(tài)再結(jié)晶形核主要出現(xiàn)在原始晶界及變形帶處，其對應(yīng)的形核機制分別為晶界弓彎形核和亞晶旋轉(zhuǎn)形核。鍛態(tài)TB6鈦合金在應(yīng)變速率≥1s-1時，β晶粒被拉長，基本未發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，以動態(tài)回復(fù)為主。在應(yīng)變速率≤0.1s-1時，以動態(tài)再結(jié)晶為主，且在應(yīng)變速率為0.01s-1～0.1s-1，變形溫度≤950℃時，動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生較充分

4、，動態(tài)再結(jié)晶晶粒長大不明顯，能獲得明顯細(xì)化的變形組織；在應(yīng)變速率≤0.001s-1及變形溫度≥1050℃時，雖然動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生較充分，但動態(tài)再結(jié)晶晶粒長大明顯，變形組織粗化嚴(yán)重。從獲得均勻、細(xì)小的變形組織考慮，鍛態(tài)TB6鈦合金的熱變形參數(shù)以應(yīng)變速率≤0.1s-1，變形溫度≤950℃為宜。鑄態(tài)TB6鈦合金在應(yīng)變速率≤0.001s-1及變形溫度≥950℃時，動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生充分，并以晶內(nèi)形核為主，變形組織均勻、細(xì)??；在應(yīng)變速率≥1s-1時，基

5、本未發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，β晶粒被拉長，以動態(tài)回復(fù)為主；在其他變形條件下發(fā)生部分動態(tài)再結(jié)晶，再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)不超過20％。從獲得均勻、細(xì)小的變形組織考慮，鑄態(tài)TB6鈦合金的熱變形參數(shù)以應(yīng)變速率≤0.001s-1及變形溫度≥950℃為宜。雙態(tài)TA15鈦合金在應(yīng)變速率≤0.01s-1時以不連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶為主，動態(tài)再結(jié)晶晶粒呈大小不一的混晶組織；在應(yīng)變速率≥0.1s-1時以連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶為主，整個動態(tài)再結(jié)晶過程保持較高的形核速率，晶粒長大現(xiàn)象不明顯，

6、呈現(xiàn)形核為主的動態(tài)再結(jié)晶。
　　 探究了鑄態(tài)TB6鈦合金在熱變形+快冷過程中產(chǎn)生的形變誘導(dǎo)馬氏體的原因、形貌特征、相轉(zhuǎn)變過程以及變形參數(shù)對形變誘導(dǎo)馬氏體析出量的影響規(guī)律。證實了形變誘導(dǎo)馬氏體主要是合金在微觀上的成分偏析以及變形晶粒內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力所致。形變誘導(dǎo)馬氏體存在針狀和鋸齒狀兩類形貌特征，其晶體結(jié)構(gòu)均為斜方馬氏體(α”)，晶格常數(shù)為α=0.301nm，6=0.491 nm，c=0.463 nm。形變誘導(dǎo)馬氏體組織轉(zhuǎn)變模式是先形

7、成近似平行的細(xì)條狀或針狀主干，后從主干中不斷生長成樹枝狀，枝干之間可能發(fā)生交合、重疊，馬氏體內(nèi)部存在孿晶。形變誘導(dǎo)馬氏體析出量隨變形溫度升高先增多后減少。應(yīng)變速率對形變誘導(dǎo)馬氏體析出量的影響規(guī)律與變形溫度區(qū)間有關(guān)。在800℃～900℃時，馬氏體析出量與應(yīng)變速率的關(guān)系呈單峰特征，即在0.1 s-1時馬氏體析出量達(dá)到峰值；在925℃～1000℃時，馬氏體析出量與應(yīng)變速率的關(guān)系呈雙峰特征，即在0.01s-1和1s-1時出現(xiàn)峰值；在>1000℃

8、時，馬氏體析出量隨應(yīng)變速率增加先增多后減少，在1s-1時達(dá)到最少，繼續(xù)增加應(yīng)變速率，則析出量又出現(xiàn)明顯增多。在所有的實驗變形參數(shù)范圍內(nèi)，馬氏體析出量在925℃、1s-1時達(dá)到最大，此時馬氏體的體積分?jǐn)?shù)約為50％。
　　 探討了利用加工硬化率(θ)來確定鈦合金動態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變的可行性，并提出了相關(guān)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)及其方法。結(jié)果表明，鈦合金發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶時，其動態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變對應(yīng)著θ～σ曲線拐點，且在-аθ/аσ～σ曲線上出現(xiàn)最小

9、值。利用此拐點判據(jù)，確定出了鍛態(tài)TB6和雙態(tài)TA15鈦合金在不同變形條件下的動態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變。這兩類原始組織鈦合金的動態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變隨應(yīng)變速率增加和變形溫度降低而增大，且鍛態(tài)TB6和雙態(tài)TA15鈦合金的臨界應(yīng)變(εc)與峰值應(yīng)變(εp)之間分別存在εc/εp=0.62和εc/εp=0.504的相關(guān)性。通過引入Z參數(shù)較好地表征了這兩類鈦合金的臨界應(yīng)變與熱變形參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系?；跀?shù)理統(tǒng)計方法確定出了鍛態(tài)TB6和雙態(tài)TA15鈦合金的臨

10、界應(yīng)變與Z參數(shù)的函數(shù)關(guān)系分別為εc=1.7129×10-2Z0.156和εc=1.72×10-2Z0.0605。
　　 研究了鍛態(tài)TB6和雙態(tài)TA15鈦合金的動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)行為和動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸演變模型。結(jié)果表明，鍛態(tài)TB6和雙態(tài)TA15鈦合金的動態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)隨變形溫度升高和應(yīng)變速率降低而增大，且其動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)曲線均呈現(xiàn)“S”型。采用Avrami動力學(xué)模型建立了鍛態(tài)TB6鈦合金的動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)方程為Xdyn=1-e

11、xp[0.6245×(ε-εc/ε0.5)1.1848]，其中ε0.5=0.54326ε0.35775 exp(19230.8/RT)；雙態(tài)TA15鈦合金的動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)方程為XdRX=1-exp[-1.0483×(ε-εc/ε0.5)1.3046]，其中ε0.5=0.892×ε.1.078。誤差分析表明，所建立的動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)方程具有較高的精度。基于動態(tài)再結(jié)晶晶粒生長驅(qū)動力分析，提出了動態(tài)再結(jié)晶等效反驅(qū)動力“抑制”晶粒長大的概念，