【摘要】：為了適應飛機結(jié)構(gòu)的耐久性/損傷容限設計,作為飛機結(jié)構(gòu)件關(guān)鍵材料的鈦合金逐漸朝著高損傷容限方向發(fā)展�；谝苯饘W原理,國內(nèi)先后研制和發(fā)展了TC4-DT和TC21等損傷容限型鈦合金,以滿足飛機結(jié)構(gòu)件對已損傷材料靜強度及疲勞性能的要求。鈦合金的力學性能由顯微組織決定,對加工參數(shù)極為敏感,新的損傷容限設計原則對鈦合金的熱加工工藝提出了更為苛刻的要求。探索損傷容限型鈦合金組織-性能關(guān)系、優(yōu)化合金的加工參數(shù)對提高合金使用性能、延長飛機服役壽命有著至關(guān)重要的意義。本文以TC21鈦合金為研究對象,通過熱模擬壓縮試驗研究該合金在高溫變形過程中的流變行為及組織演化規(guī)律,并建立了合金的本構(gòu)關(guān)系及熱加工圖,結(jié)合鍛造及熱處理試驗優(yōu)化合金的熱加工工藝參數(shù),建立合金室溫拉伸性能、斷裂韌性與顯微組織參數(shù)的定量關(guān)系,確定影響合金力學性能的主要組織參數(shù),并探討鈦合金的強韌化機制。本文的主要研究內(nèi)容與研究成果如下:研究了加熱保溫溫度對等軸初始組織TC21鈦合金鍛前組織的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)保溫溫度低于900℃時,合金顯微組織由等軸α相、α片以及殘留β相組成;保溫溫度在900℃至相變點之間時,合金的顯微組織主要由等軸α相和等軸β晶粒組成;而溫度高于相變點時,合金中只存在等軸β晶粒。通過對TC21鈦合金鍛態(tài)組織的觀察,發(fā)現(xiàn)在兩相區(qū)變形時,等軸α相幾乎不發(fā)生塑性變形,變形溫度低于900℃,合金主要的組織變化為α片的球化,而溫度高于900℃,主要發(fā)生β晶粒的動態(tài)再結(jié)晶;單相區(qū)變形時,主要發(fā)生β晶粒的動態(tài)再結(jié)晶,隨變形溫度的升高以及應變速率的降低,動態(tài)再結(jié)晶程度增加,β再結(jié)晶晶粒尺寸增加。研究了片狀初始組織TC21鈦合金在兩相區(qū)變形時的球化行為,發(fā)現(xiàn)合金片狀組織的球化動力學滿足Avrami方程,隨變形溫度的升高以及應變速率的降低,合金片狀組織的球化程度增加;片狀組織的球化包括亞晶界的形成以及界面分離兩個過程,亞晶界形成機制包括回復亞結(jié)構(gòu)、α片剪切以及彎折機制,界面分離主要通過在α/β相界面形成熱蝕溝槽來分離α片。TC21鈦合金高溫變形時存在明顯的流動軟化現(xiàn)象,且隨變形溫度的升高以及應變速率的減小,合金流動應力降低。合金高溫變形時出現(xiàn)不連續(xù)屈服現(xiàn)象,主要發(fā)生在單相區(qū),在兩相區(qū)高溫高應變速率以及低溫中等應變速率下也會出現(xiàn)。基于雙曲正弦型Arrhenius方程建立了合金高溫變形的本構(gòu)方程,通過本構(gòu)模型計算的流動應力與實驗值吻合良好。基于動態(tài)材料模型構(gòu)建了TC21鈦合金的熱加工圖,確定合金的安全加工區(qū)域為840℃~1040℃、0.01s-1~1s-1和820℃~1040℃、0.001s-1~0.01s-1。在安全區(qū)內(nèi),合金變形以動態(tài)回復、動態(tài)再結(jié)晶、α片球化以及超塑性變形為主。合金的失穩(wěn)區(qū)主要集中在高應變速率區(qū),在兩相區(qū)主要的失穩(wěn)形式為局部流動,在單相區(qū)主要的失穩(wěn)方式為絕熱剪切。從提高TC21鈦合金使用性能的角度,進行了鍛造及熱處理工藝參數(shù)優(yōu)化試驗。發(fā)現(xiàn)較佳的熱處理制度為固溶時效熱處理(900℃/1h、AC+590℃/4h、AC);選擇980℃進行常規(guī)鍛造時,合金的力學性能滿足技術(shù)條件要求,但鍛造溫度范圍比較窄;在模具溫度為940℃、應變速率為0.01s-1條件下進行近等溫鍛造,合金的力學性能滿足技術(shù)條件要求,鍛造溫度范圍可擴展為940℃~990℃。在這些優(yōu)化的工藝條件下,合金的顯微組織均由壓扁的β晶粒組成,晶粒尺寸均勻,晶粒內(nèi)部為交叉分布的粗大α片,有時存在少量的等軸α相。建立了TC21鈦合金力學性能與顯微組織參數(shù)的定量關(guān)系。發(fā)現(xiàn)等軸α相以及含有次生α片殘留β基體含量的增多,會提高合金的強度;增加等軸α相含量能夠提高合金的塑性;交叉分布的α片含量及厚度的增加會提高合金的斷裂韌性。探討了鈦合金的強韌化機制。等軸α相以及殘留β基體含量增加,合金中非共格以及半共格界面增多,位錯運動的阻力增加,引起合金強度增加。等軸α相與殘留β相之間為非共格界面,塑性變形時,位錯難以穿過相界面,等軸α相的直徑即為位錯的有效滑移長度;α片(或次生α片)與殘留β相之間為半共格界面,位錯可以比較容易的穿過相界面,可以在若干特定取向的α片(或次生α片)內(nèi)滑移,有效滑移長度為β晶粒(或α束域)的直徑。等軸α相增多,限制合金中β晶粒(或α束域)的尺寸,減小有效滑移長度,提高鈦合金的塑性。α相為韌性相,裂紋擴展過程中遇到α相時,會使裂紋尖端塑性變形區(qū)消耗更多的能量,α相含量增多可以提高合金的斷裂韌性;裂紋擴展過程中,可以繞過等軸α相,卻要穿過交叉分布的α片,交叉分布的α片有助于提高合金的斷裂韌性;α片厚度增加,裂紋尖端塑性區(qū)在α片內(nèi)的能量消耗增多,裂紋穿過每個α片的難度增加,提高合金的斷裂韌性。
【圖文】：

西北工業(yè)大學工學博士學位論文學性能的影響規(guī)律，揭示鈦合金強韌化機制，是一項亟待解鈦合金概述種化學元素，在地殼含量最豐富的金屬元素中居第 4 位，的化學符號為 Ti，原子序數(shù) 22，相對原子質(zhì)量 47.867，于第4周期、第IVB族。鈦的熔點約為1668℃，室溫密度約晶體結(jié)構(gòu)及滑移系種同素異構(gòu)體，純鈦的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度約為 882℃。低密排六方結(jié)構(gòu)（hcp），室溫下晶格參數(shù)為 a=0.295nm，示；高于 882℃時為 β-Ti，呈體心立方結(jié)構(gòu)（bcc），90032nm，如圖 1-1b 所示[3, 7]。

圖 1-2 -Ti 中的滑移系（a）以及臨界分切應力隨溫度的變化規(guī)律（b）[7]ig.1-2 Slip systems in the alpha phase (a) and the variation of CRSS with temperature (b).2 鈦合金位向關(guān)系及界面結(jié)構(gòu)純鈦從 β 相區(qū)降到 882℃時，體心立方的 β 相將轉(zhuǎn)變?yōu)槊芘帕降?相間存在著Burgers位向關(guān)系（Orientation relationship，，OR）[7-12]：(0001) //(110] //[111]β。這種位向關(guān)系使得一個 β 晶粒中能夠產(chǎn)生最多十二種晶體同的 變體[10]。相變過程中，β 相中的(110)β轉(zhuǎn)變?yōu)?相的基面(0001的最密排方向[111]β轉(zhuǎn)變?yōu)?相的最密排方向[ 2 110] 。每個(110)β晶面[111]β方向，在相變的過程中，有一個[111]β方向?qū)⒅苯愚D(zhuǎn)變成為 相10] 方向。兩個[111]β的夾角約為 70.5°，而兩個[ 2 110] 的夾角則為 6可知，將 β 相中的(110)β晶面某一[111]β與 相中的(0001) 中的某一[ 2 1疊加，如圖 1-3a[11-12]中的加粗線所示，可以發(fā)現(xiàn)另一個[111]β與另10] 存在 10.5°的角度差。范圍較小時，兩相原子所占據(jù)的位置恰好為的共有位置，形成共格界面。由于 相和 β 相的晶體結(jié)構(gòu)及晶格參數(shù)均
【學位授予單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG146.23;TG319


本文編號：2526425