高強度TiZrAl合金的制備及組織性能研究.pdf

1、鈦(Ti)及鈦合金由于具有高比強度、優(yōu)異的耐腐蝕性能和低密度等優(yōu)點，被廣泛的應(yīng)用于航空航天和化學工業(yè)等行業(yè)；而與鈦同屬第IVB的金屬元素鋯(Zr)及其合金則具有中子吸收截面積小、抗氧化、耐腐蝕、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)異的物理化學性能，主要應(yīng)用于核工業(yè)和醋酸工業(yè)中。隨著科學技術(shù)的進步，Ti及Zr合金逐漸在航空航天領(lǐng)域得到應(yīng)用。然而航空航天事業(yè)的不斷進步以及空間極其惡劣的服役條件對空間結(jié)構(gòu)材料的性能提出了更苛刻的要求?；诳臻g飛行器服役的苛刻環(huán)境

2、以及Ti和Zr合金的優(yōu)異物理和力學性能，本文以發(fā)展新型空間結(jié)構(gòu)材料為目標，運用多種實驗室手段和工業(yè)化制備技術(shù)，研究了不同成分TiZrAl合金在多種變形工藝和熱處理工藝條件下的相組成、微觀組織以及力學性能。
　　利用非自耗電弧爐熔煉制備了一系列的TiZrAl合金，研究各組元含量的變化對合金結(jié)構(gòu)與性能的影響。結(jié)果表明，Al元素和Zr元素在TiZrAl合金中分別起到穩(wěn)定HCP-α相和穩(wěn)定BCC-β相的作用，當Zr含量達到40at.％時，

3、β相被完全保留至室溫。此外，Al元素和Zr元素能夠顯著提升TiZrAl合金的力學性能。在TiZrxAly(x=0-40,y=0-15)合金中，TiZr25Al15合金具有最優(yōu)異的綜合力學性，其抗拉強度能夠保持在1300MPa以上，并且具有4.5%-11%的拉伸延伸率。
　　使用10kg懸浮熔煉爐以及100kg自耗電弧爐熔煉制備了TiZr25Al15和TiZr40Al15兩種高強度合金。通過調(diào)整變形及熱處理參數(shù)進一步改善和優(yōu)化合金的

4、綜合力學性能。實驗結(jié)果表明，經(jīng)過α單相區(qū)熱軋的TiZr25Al15合金其力學性能明顯優(yōu)于α+β兩相區(qū)及β單區(qū)熱軋的TiZr25Al15合金。經(jīng)過800°C熱軋后的TiZr25Al15合金呈現(xiàn)細小的等軸組織，其抗拉強度達到1564Mpa，同時具有9%的延伸率，相比較于鑄態(tài)合金的拉伸性能(強度1144Mpa，延伸率2.2%)，合金強度和延伸率分別提高了36.7%和309%。此外，TiZr25Al15合金經(jīng)過700℃軋制不同溫度退火后，微觀組

5、織呈現(xiàn)出明顯差異，800℃退火后合金發(fā)生完全再結(jié)晶并且出現(xiàn)退火孿晶。經(jīng)過700℃軋制800℃1h退火后的TiZr25Al15合金具有1730MPa的抗拉強度和4.5%的延伸率。在進一步對TiZr25Al15合金退火過程中組織演變的研究中發(fā)現(xiàn)，TiZr25Al15合金在α+β兩相區(qū)或者β單相區(qū)保溫并經(jīng)過不同冷卻速率冷卻后，其次生α相板條寬度與保溫溫度及冷卻速率的關(guān)系滿足方程b(T0,ν)=0.189[(T0-769)/ν]1/2。

6、　　研究了TiZrAl合金的相變規(guī)律，結(jié)果表明Zr在TiZrAl合金中能夠增加局部應(yīng)力起到抑制馬氏體形成的作用，并且Zr的添加能夠提高TiZrAl合金中β相的結(jié)合能起到穩(wěn)定β相的作用。在TiZrAl合金中，高溫淬火得到的α''馬氏體相和β相在時效過程中并不能穩(wěn)定存在，其分解過程分別為α′′→α′′+α→α→α+Ti3Al和β→α+β→α+Ti2AlZr。
　　對TiZrAl合金塑性變形的研究表明，退火態(tài)TiZr25Alx(x=0、

7、5、10、15)合金的室溫塑性變形機制主要為沿基面{0002}的滑移和少量的棱錐面{10-11}的滑移，并沒有觀察到孿生變形機制。此外，淬火態(tài)TiZr40Al15合金在拉伸過程中將發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)β相→α''馬氏體相轉(zhuǎn)變，其中α''馬氏體相與淬火β相之間的位相關(guān)系為[111]β//[100]α″。在晶粒尺寸為30-700μm，應(yīng)變速率為1×10-4/s-1×10-1/s的范圍內(nèi)，隨著晶粒尺寸的減小或者應(yīng)變速率的提高，合金發(fā)生馬氏體相變的觸發(fā)