發(fā)布時(shí)間：2020-11-11 06:29

　　 β鈦合金具有低密度、高比強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕性以及良好的生物相容性等諸多優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航空、汽車和生物等產(chǎn)業(yè)。隨著鈦合金在工程應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展,人們對(duì)其力學(xué)性能也提出了越來越高的要求。因此,有必要開發(fā)高強(qiáng)度高塑性的新型β鈦合金。β鈦合金的力學(xué)性能與其形變機(jī)制密切相關(guān),通過成分設(shè)計(jì)和熱處理調(diào)節(jié)形變機(jī)制進(jìn)而改善力學(xué)性能是β鈦合金的主要強(qiáng)韌化方法。針對(duì)目前常用的d電子成分設(shè)計(jì)法和固溶時(shí)效熱處理在實(shí)際應(yīng)用中的局限性,本文以Ti-Mo基β鈦合金為基礎(chǔ)建立了價(jià)電子溶度―平均原子半徑差成分設(shè)計(jì)理論模型和分級(jí)淬火熱處理工藝。利用X射線衍射儀(XRD)、光學(xué)顯微鏡(OM)和透射電子顯微鏡(TEM)等表征手段研究了合金的微觀結(jié)構(gòu)和形變機(jī)制,獲得了綜合力學(xué)性能優(yōu)異的β鈦合金。本文主要研究結(jié)果如下:制備了Ti-(5,8,10,15,20 wt.%)Mo二元系列鈦合金,發(fā)現(xiàn)將β相保留至室溫所需的Mo含量高于10 wt.%。固溶水冷態(tài)Ti-Mo合金的形變方式主要取決于β穩(wěn)定性,Ti-10Mo和15Mo合金表現(xiàn)出較大的延伸率(30和37%)以及較高的抗拉強(qiáng)度(756和739 MPa),TEM觀察形變后的Ti-10Mo和15Mo樣品中存在大量孿晶。Ti-20Mo合金由于Mo含量的增加導(dǎo)致13%的低延伸率,其形變組織主要為位錯(cuò)。隨著Mo含量及β穩(wěn)定性的增加,βTi-Mo合金的形變機(jī)制由孿生轉(zhuǎn)變?yōu)榛�。固溶處理后不同的冷卻方式影響Ti-Mo合金β基體中α″馬氏體和ω相的形成,進(jìn)而改變合金的形變機(jī)制。水冷態(tài)Ti-(10,11,12 wt.%)Mo合金在形變中發(fā)生了馬氏體再取向和應(yīng)力誘發(fā)馬氏體(SIM)相變,在3%拉伸卸載測(cè)試中產(chǎn)生了0.4~0.7%的超彈性并且升溫后繼續(xù)發(fā)生了0.1~0.3%的形狀記憶回復(fù)應(yīng)變,總回復(fù)應(yīng)變和總應(yīng)變回復(fù)率分別達(dá)到1%和33%。較高的Mo含量抑制了α″和ω相的形成,提高了亞穩(wěn)β相的比例,對(duì)應(yīng)力誘發(fā)α″馬氏體相變和合金的超彈性起到促進(jìn)作用。而空冷態(tài)合金包含的ω相阻礙了馬氏體再取向和SIM,導(dǎo)致形狀記憶性能的降低。合適的分級(jí)淬火工藝可以同時(shí)調(diào)控α″馬氏體相變和α沉淀析出,優(yōu)化相組成并細(xì)化組織,進(jìn)而改善亞穩(wěn)β鈦合金的綜合力學(xué)性能。Ti-10Mo(wt.%)合金固溶后直接冷卻得到較多的α″馬氏體或者ω相,導(dǎo)致較差的力學(xué)性能。固溶+650℃時(shí)效處理快速生成了粗大的α沉淀使得合金的塑性下降至5%。根據(jù)計(jì)算得到的Ti-10Mo合金的α平衡相變TTT曲線設(shè)計(jì)了650℃保溫0.5 h的分級(jí)淬火工藝,在合金內(nèi)部得到了20 nm以下的細(xì)小α沉淀、沿晶界分布的少量α″馬氏體和細(xì)小彌散的ω顆粒共存于β基體中的多相組織,獲得了高強(qiáng)度(790 MPa)和高塑性(23%)的綜合力學(xué)性能。利用d電子成分設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)了Ti-8Mo-4.5Co和Ti-11Mo-7Zr(wt.%)三元Ti-Mo基β鈦合金,Ti-11Mo-7Zr合金在形變中發(fā)生了應(yīng)力誘發(fā)α″馬氏體相變和孿生,得到475 MPa的低屈服強(qiáng)度和28%的高延伸率,符合d電子合金設(shè)計(jì)法的預(yù)測(cè)。但是Ti-8Mo-4.5Co合金的形變方式以位錯(cuò)滑移為主,導(dǎo)致980 MPa的高屈服強(qiáng)度和8%的低延伸率,與d電子合金設(shè)計(jì)法的預(yù)測(cè)不相符,說明該理論需要進(jìn)一步完善和補(bǔ)充。選取不同的合金化元素會(huì)影響β鈦合金的晶格切變能力,進(jìn)而影響孿生/SIM的發(fā)生。以合金的價(jià)電子溶度和各合金化元素與Ti的平均原子半徑差為參數(shù)建立價(jià)電子溶度―平均原子半徑差理論模型,繪制得到0)/(6?????-????成分設(shè)計(jì)圖,并在圖中劃分出孿生/SIM和位錯(cuò)滑移兩種形變機(jī)制對(duì)應(yīng)的區(qū)域。理論分析發(fā)現(xiàn)價(jià)電子溶度的降低促進(jìn)了孿生/SIM的發(fā)生。較低的平均原子半徑導(dǎo)致較小的晶胞體積,不利于孿生/SIM。平均原子半徑差越大代表晶格畸變?cè)酱?同樣對(duì)晶格切變和孿生/SIM不利。結(jié)合d電子成分設(shè)計(jì)法和價(jià)電子溶度―平均原子半徑差理論模型設(shè)計(jì)了Ti-11Mo-7Nb-3.5Zr和Ti-14Mo-7Nb-3.5Zr(wt.%)四元Ti-Mo基β鈦合金。Ti-11Mo-7Nb-3.5Zr合金經(jīng)過大范圍的應(yīng)變硬化階段,達(dá)到了780 MPa的抗拉強(qiáng)度和53%的延伸率,綜合性能優(yōu)異,驗(yàn)證了價(jià)電子溶度―平均原子半徑差理論模型以及合金元素的價(jià)電子數(shù)和原子半徑對(duì)β鈦合金形變機(jī)制的影響。本研究提出了新的β鈦合金成分設(shè)計(jì)理論模型和分級(jí)淬火熱處理工藝,并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明了其有效性。上述研究結(jié)果不僅深化了相關(guān)領(lǐng)域?qū)Ζ骡伜辖鸬男巫儥C(jī)制的理解,也為β鈦合金的力學(xué)性能的改善提供了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),為高性能β鈦合金的開發(fā)提供了新的思路和依據(jù),具有重要的理論指導(dǎo)與實(shí)際參考意義。
【學(xué)位單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG146.23
【部分圖文】：

性能優(yōu)異、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、石油化工、生物醫(yī)藥、海洋工程及汽車等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1-3]。鈦合金的應(yīng)用領(lǐng)域主要有三塊[4]：軍事工業(yè)領(lǐng)域、生物醫(yī)用領(lǐng)域以及民用領(lǐng)域。軍事工業(yè)領(lǐng)域是鈦合金最大的市場(chǎng)，以航空、艦船結(jié)構(gòu)應(yīng)用為主，如第 3代 F-15 戰(zhàn)斗機(jī)的鈦合金用量占 27%，第 4 代 F-22 戰(zhàn)斗機(jī)中鈦合金占 41%。用鈦合金為艦船制造的外殼海水無法腐蝕，制成的潛艇既能抗海水腐蝕又能抗深層壓力，其下潛深度比不銹鋼潛艇增加 80%。同時(shí)，鈦沒有磁性，不會(huì)被水雷發(fā)現(xiàn)，具有很好的反監(jiān)測(cè)作用。在生物醫(yī)用領(lǐng)域，鈦及其合金憑借優(yōu)良的綜合性能，成為人工關(guān)節(jié)、骨創(chuàng)傷用品、脊柱矯形內(nèi)固定系統(tǒng)、牙種植體、牙矯形絲、人工心臟瓣膜、血管支架等醫(yī)用內(nèi)植入產(chǎn)品的首選材料。在民用領(lǐng)域，低密度的鈦制品成為汽車、民航工業(yè)輕量化的熱門選擇。如圖 1.1 所示，隨著年代的推進(jìn)，波音飛機(jī)上的鈦合金用量占飛機(jī)的空重比越來越高，其主要用于制造機(jī)身、航空發(fā)動(dòng)機(jī)以及起落架等[1]。

大以及極端條件下的服役需求，傳統(tǒng)的鈦合金越來越滿足不了市場(chǎng)需求，需發(fā)新的高品質(zhì)高性能鈦合金。目前美國(guó)是世界上最大的鈦材生產(chǎn)國(guó)和鈦材消費(fèi)國(guó)，50%以上的鈦材用于航業(yè)。從鈦材的需求方面看，航空航天領(lǐng)域?qū)︹伈馁|(zhì)量要求較高。然而我國(guó)生鈦材主要用于化工產(chǎn)業(yè)，該領(lǐng)域使用的鈦材往往屬于低端鈦材。從 2016 年來看（圖 1.2）[7]，我國(guó)銷售的鈦材中 42%都銷售給了化工產(chǎn)業(yè)，而只有 19.3給航空航天領(lǐng)域，說明我國(guó)生產(chǎn)的鈦材大部分是低端鈦材，高端鈦材的用量較少。當(dāng)前我國(guó)與美國(guó)、日本、俄羅斯在鈦加工技術(shù)上還有較大差距，國(guó)內(nèi)鈦材需求無法自給自足，需要依賴進(jìn)口。大飛機(jī)用鈦材還不能完全自主生端鈦制品需從國(guó)外采購�；�、冶金等民用中低端鈦材生產(chǎn)能力大幅過剩。，我國(guó)基礎(chǔ)性研究薄弱，原創(chuàng)性和革命性的鈦材設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)少。近年來提出借鑒德國(guó)工業(yè) 4.0 發(fā)展中國(guó)制造 2025 的目標(biāo)，必須對(duì)鈦工業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能結(jié)構(gòu)鈦合金。

圖 1.3 鈦合金中合金化元素的分類Fig. 1.3 Classification of alloying elements in Ti alloys由于鉬的 β 穩(wěn)定能力較強(qiáng)，鉬當(dāng)量（[Mo]eq）常被用來定量表示 β 穩(wěn)定性的高低，同時(shí)也是鈦合金成分設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則之一。鉬當(dāng)量由 Bania[11]于 1994 年提出，將不同 β 穩(wěn)定元素穩(wěn)定高溫 β 相至室溫的臨界濃度與鉬進(jìn)行比較得到一個(gè)系數(shù)，即以鉬的 β 穩(wěn)定能力為標(biāo)準(zhǔn)考量其它元素的 β 穩(wěn)定能力。例如在純 Ti 中加入 10 wt.%的 Mo 可以將高溫 β 相穩(wěn)定至室溫，加入 36 wt.%Nb 也剛好可以穩(wěn)定 β 相至室溫，所以 1 wt.% Nb 的作用相當(dāng)于 0.28 wt.%的 Mo，即 Nb 的鉬當(dāng)量為 0.28。按同樣方法算出其他元素的鉬當(dāng)量，然后根據(jù)各元素含量比（wt.%）統(tǒng)計(jì)合金整體的鉬當(dāng)量，其計(jì)算公式如下：[Mo]eq= Mo + 0.22 Ta + 0.28 Nb + 0.44 W + 0.67 V +1.25 Cr +1.25 Ni+ 1.7 Mn + 1.7 Co + 2.5 Fe - 1 [Al] (1-1)
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 劉奇先;劉楊;高凱;;鈦合金的研究進(jìn)展與應(yīng)用[J];航天制造技術(shù);2011年04期

2 楊冬雨;付艷艷;惠松驍;葉文君;于洋;梁恩泉;;高強(qiáng)高韌鈦合金研究與應(yīng)用進(jìn)展[J];稀有金屬;2011年04期

3 訾群;;鈦合金研究新進(jìn)展及應(yīng)用現(xiàn)狀[J];鈦工業(yè)進(jìn)展;2008年02期

本文編號(hào)：2878872