新型高強(qiáng)β鈦合金的熱處理和微合金化以及高溫變形行為研究.pdf

1、高強(qiáng)β型鈦合金具有良好的成型能力，而且具有非常高的比強(qiáng)度，通過(guò)固溶-時(shí)效熱處理工藝可以獲得良好的強(qiáng)度與塑性和韌性的匹配。但是隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展，對(duì)高強(qiáng)鈦合金的比強(qiáng)度和比剛度等性能提出了更高的要求。本文以自主設(shè)計(jì)的Ti-3.5Al-5Mo-6V-3Cr-2Sn-0.5Fe合金為研究對(duì)象，系統(tǒng)地研究了熱處理工藝以及微量的B4C與C的混合添加對(duì)合金的組織與性能的影響。開展了Ti-3.5Al-5Mo-6V-3Cr-2Sn-0.5Fe合金的超

2、塑性研究以及對(duì)變形過(guò)程中的組織演變規(guī)律進(jìn)行研究。對(duì)合金高溫壓縮變形能力進(jìn)行研究，并以高溫壓縮試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)軋制了合金板材。
　　對(duì)鍛造后的Ti-3.5Al-5Mo-6V-3Cr-2Sn-0.5Fe合金棒材組織性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)熱處理工藝對(duì)合金的力學(xué)性能非常重要。合金在(α+β)兩相區(qū)和β單相區(qū)固溶后具有非常好的塑性，但是強(qiáng)度水平較低。經(jīng)過(guò)低溫時(shí)效后，合金的強(qiáng)度大幅提高，并且時(shí)效溫度越低，強(qiáng)度越高。對(duì)合金在775℃/1h/AC+44

3、0℃/8h條件下熱處理時(shí)，獲得了1715MPa的超高抗拉強(qiáng)度，并具有一定的塑性。在800℃/1h/AC+520℃/8h熱處理?xiàng)l件下，合金獲得了強(qiáng)度與塑性的優(yōu)良匹配，抗拉強(qiáng)度與延伸率分別為1466MPa和14.5％。
　　Ti-3.5Al-5Mo-6V-3Cr-2Sn-0.5Fe合金的力學(xué)性能對(duì)其組織非常敏感，尤其是α相的影響尤為重要。在(α+β)兩相區(qū)固溶條件下產(chǎn)生的初生α相可以抑制β晶粒的長(zhǎng)大，α相的數(shù)量越多，其晶粒越細(xì)小，因此

4、合金能夠獲得更好的強(qiáng)度與塑性。而在β單相區(qū)固溶的合金β晶粒將迅速長(zhǎng)大，這對(duì)合金的性能帶來(lái)不利影響。時(shí)效過(guò)程中析出的細(xì)小的次生α相是合金強(qiáng)度提高的主要原因，次生α相尺寸的減小或者其體積分?jǐn)?shù)的增加，都會(huì)使合金的強(qiáng)度得到提高。塑性的變化與強(qiáng)度呈相反趨勢(shì)，即強(qiáng)度越高，塑性越低。
　　研究了微量B4C與C的添加對(duì)Ti-3.5Al-5Mo-6V-3Cr-2Sn-0.5Fe顯微組織及性能的影響。合金中加入微量的B4C與C后，以原位反應(yīng)合成的方式

5、生成總體積分?jǐn)?shù)約為1%的TiB和TiC。TiB和TiC具有細(xì)化β晶粒的作用。在β單相區(qū)固溶時(shí)Ti B和Ti C可以通過(guò)釘扎作用而限制β晶粒的長(zhǎng)大，其晶粒大小只有相當(dāng)于基體合金的一半；當(dāng)合金在(α+β)兩相區(qū)固溶時(shí)，B4C與C增加了初生α相的數(shù)量，從而也達(dá)到了細(xì)化β晶粒的效果。另外，B4C和C的加入還細(xì)化了次生α相的尺寸。添加B4C和C的合金的最高抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1834MPa，塑性為2%。在相同的熱處理?xiàng)l件下，B4C和C可以明顯提高合金

6、的強(qiáng)度，但是塑性略有下降。
　　本文研究了Ti-3.5Al-5Mo-6V-3Cr-2Sn-0.5Fe合金在650℃～800℃、2.78×10-4s-1～8.33×10-3s-1條件下的(α+β)兩相區(qū)的超塑性變形行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，變形溫度的升高或者應(yīng)變速率的降低都會(huì)提高合金的超塑性延伸率，在變形溫度為800℃，應(yīng)變速率為2.78×10-4s-1時(shí)，合金得到最大延伸率，為455%。合金超塑性變形的主要機(jī)制為位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。在塑性變形過(guò)程中

7、，合金產(chǎn)生大量的位錯(cuò)，位錯(cuò)纏結(jié)并切割母相形成亞晶粒和亞晶界。隨著變形的繼續(xù)，亞晶粒發(fā)生長(zhǎng)大，晶界隨著變形發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，最終形成與母相具有一定晶界角度的晶粒。合金在塑性變形過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)有少量的再結(jié)晶晶粒，但數(shù)量很少，并不是合金超塑性變形的主要機(jī)制。
　　采用熱物理模擬方法，研究了Ti-3.5Al-5Mo-6V-3Cr-2Sn-0.5Fe合金的高溫壓縮變形行為，揭示了變形應(yīng)力與變形溫度和應(yīng)變速率之間的關(guān)系，峰值應(yīng)力和流變應(yīng)力均隨溫度的升高

8、和應(yīng)變速率的減小而降低，且峰值應(yīng)力σ與溫度(1000/T)、lnε?之間都滿足線性關(guān)系。合金在(α+β)兩相區(qū)的平均變形激活能為271.1kJ/mol。建立了合金在(α+β)相區(qū)熱變形本構(gòu)方程，為后續(xù)熱變形參數(shù)的選擇和設(shè)備噸位的確定提供了指導(dǎo)。
　　根據(jù)熱壓縮的研究結(jié)果，對(duì)Ti-3.5Al-5Mo-6V-3Cr-2Sn-0.5Fe合金分別在790℃((α+β)兩相區(qū))及870℃(β單相區(qū))進(jìn)行了板材的軋制。當(dāng)合金在790℃變形量為