【摘要】：鈦合金由于良好的比強(qiáng)度和比剛度,優(yōu)異的耐腐蝕性能、高溫性能和生物相容性,在航空、航天、化工、生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有的廣泛應(yīng)用。隨著飛機(jī)的大型化和整體化對(duì)鈦合金提出了更高的要求,除了要具有高強(qiáng)度外,還需要具有良好的斷裂韌性和疲勞性能。因此,有必要研究高強(qiáng)高韌鈦合金的高溫變形特征及熱加工對(duì)合金組織性能的影響規(guī)律,這對(duì)其在飛機(jī)上的應(yīng)用十分重要。Ti-6554(Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al)合金是一種新型高強(qiáng)高韌鈦合金,在軍民用飛機(jī)上應(yīng)用前景廣闊。本文以Ti-6554鈦合金為研究對(duì)象,系統(tǒng)地研究了熱變形特征及熱加工圖,開展熱變形加工及熱處理對(duì)合金組織性能的影響研究,確定最佳的加工工藝范圍和最佳的強(qiáng)度-塑性-韌性匹配。對(duì)Ti-6554合金試樣進(jìn)行相變點(diǎn)上、下的熱壓縮實(shí)驗(yàn),研究了合金的熱變形行為并擬合了高溫變形時(shí)的本構(gòu)方程,繪制熱加工圖。結(jié)果表明:合金在高溫變形過程中流變應(yīng)力對(duì)溫度和應(yīng)變速率都十分敏感。在相同的應(yīng)變速率下,溫度升高,流變應(yīng)力降低。而在相同溫度下,應(yīng)變速率升高,流變應(yīng)力也升高。根據(jù)熱加工圖,合金在β單相區(qū)800-890℃,0.01-0.03s-1區(qū)間內(nèi)變形具有較高的耗散系數(shù),微觀變形機(jī)制是動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶;在(α+β)兩相區(qū)變形時(shí)的高耗散系數(shù)區(qū)間為740-770℃,0.01-0.03s-1,微觀變形機(jī)制主要是動(dòng)態(tài)回復(fù)。這兩個(gè)區(qū)間是合金的適宜加工區(qū)。此外合金的塑性失穩(wěn)區(qū)主要在溫度740-900℃,應(yīng)變速率0.05-1s-1的區(qū)域內(nèi)。失穩(wěn)區(qū)內(nèi)變形加工會(huì)造成組織的局部塑性流動(dòng)。對(duì)合金進(jìn)行單相區(qū)變形加工+兩相區(qū)熱處理,研究熱處理制度對(duì)組織和性能的影響,結(jié)果表明:單相區(qū)變形加工的合金熱處理后組織中主要含有條狀的初生α相和針狀的次生α相。合金強(qiáng)化主要來自次生α相的析出強(qiáng)化,固溶溫度越高,時(shí)效溫度越低,次生相析出越多,此時(shí)強(qiáng)度較高。而塑性則與初生α相的含量有關(guān),相同強(qiáng)度條件下,合金中初生α相含量越多合金的塑性越好。典型熱處理制度下合金的強(qiáng)度可達(dá)1300MPa～1600MPa,延伸率2%～10%。合金的斷裂韌性與裂紋在合金組織中的擴(kuò)展路徑有關(guān),路徑越曲折,斷裂韌性越高。經(jīng)過760℃/1h,AC+560℃/2h,AC后合金的斷裂韌性最高,達(dá)到54.4MPa·m1/2,此時(shí)強(qiáng)度為1341MPa,延伸率10%。對(duì)合金進(jìn)行兩相區(qū)變形加工+單相區(qū)熱處理,研究晶粒尺寸與斷裂韌性的關(guān)系,確定最佳固溶制度,并研究時(shí)效熱處理對(duì)組織性能的影響。結(jié)果表明:晶粒尺寸隨著固溶溫度的升高和固溶時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。晶粒尺寸為125μm時(shí),合金的斷裂韌性最高,此時(shí)固溶制度為890℃/1h。不同時(shí)效制度下,合金強(qiáng)度在1200MPa～1500MPa,延伸率在3～9%之間。強(qiáng)化機(jī)理與單相區(qū)加工兩相區(qū)熱處理的類似,都是次生α相的析出強(qiáng)化作用,次生α相數(shù)量和尺寸直接影響合金的強(qiáng)度和塑性,塑性與強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)。通過熱處理制度的優(yōu)選獲得不同強(qiáng)度級(jí)別的強(qiáng)度-塑性-韌性匹配�？估瓘�(qiáng)度在1241MPa,延伸率在8.5%時(shí),合金的斷裂韌性最高為80.5MPa·m1/2�？估瓘�(qiáng)度為1350MPa,延伸率在6%時(shí),合金的斷裂韌性為65MPa·m1/2,抗拉強(qiáng)度為1525MPa延伸率為3.5%時(shí),斷裂韌性可達(dá)54.1MPa·m1/2,基本在55MPa·m1/2以上,滿足高強(qiáng)高韌鈦合金的標(biāo)準(zhǔn)。
【圖文】：

系數(shù)和低熱導(dǎo)率等特點(diǎn)（表１．１［１］）。目前其作為結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、逡逑化工、石油等領(lǐng)域。在航空領(lǐng)域中，鈦合金可以替代高密度合金為飛機(jī)減重，而現(xiàn)代逡逑飛機(jī)鈦合金的用量也越來越大（圖１．１邋［２］）。美國第三代戰(zhàn)斗機(jī)Ｆ－１４和Ｆ－１５鈦合金用量逡逑分別占２４％和２７％，而第四代戰(zhàn)斗機(jī)Ｆ－２２鈦合金用量高達(dá)４１％［３］。逡逑表Ｕ鈦和幾種金屬的物理性能１１１逡逑Ｐｈｙｓｉｃａｌ邋ｐｒｏｐｅｒｔｙ邐Ｔｉ邐Ｍｇ邐Ａ１邐Ｆｅ邐Ｎｉ邐Ｃｕ逡逑Ｄｅｎｓｉｔｙ（ｇ／ｃｍ３）邐４．５４邐１．７４邐２．７邐７．８邐８．９邐８．９逡逑Ｍｅｌｔｉｎｇ邋ｐｏｉｎｔ（°Ｃ）邐１６６８邐６５０邐６６０邐１５３５邐１４５５邐１０８３逡逑Ｂｏｉｌｉｎｇ邋ｐｏｉｎｔ（°Ｃ）邐３２６０邐１０９１邐２２００邐２７３５邐３３３７邐２５８８逡逑Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ邋ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ（１０＂６／°Ｃ）邐８．５邐２６邐２３．９邐１１．７邐１３．３邐１６．５逡逑Ｔｈｅｒｍａｌ邋ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ（１０２Ｗ／（ｗＫ））邋０．１４６３邐１．４６５４邐２．１７７１邐０．８３７４邐０．５９４５邐３．８５１８逡逑Ｅｌａｓｔｉｃ邋ｍｏｄｕｌｕｓ（ＧＰａ）邐１１３邐４３．６邐７２．４邐２００邐２１０邐１３０逡逑５邋＇逡逑＾邋４＇邐７４７ＳＰ逡逑Ｓ逡逑｜３－邋，，，逡逑蛋邐７３７邐．＾４７逡逑ｍ２－邐■，逡逑Ｉ邐－７６７逡逑．１邋－邋ｙ＆ｎ逡逑＾７０７逡逑■逡逑０－逡逑６０邐６５邐７０邐７５邐８０邐８５逡逑Ｒｏｌｌｏｕｔ邋Ｙｅａｒ逡逑圖１．１邐１９５５－１９８５波音公司飛機(jī)應(yīng)用鈦合金的減重效果ｍ逡逑１

鈦及鈦合金具有兩種不同的晶體結(jié)構(gòu)，每種晶體結(jié)構(gòu)的都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的溫度范圍。逡逑低溫時(shí)的鈦及鈦合金稱為ｃｔ－Ｔｉ，其晶體結(jié)構(gòu)為密排六方（ｈｅｐ）；高溫時(shí)，其為體心立方逡逑結(jié)構(gòu)（ｂｅｅ），稱為卩－Ｔｉ。兩種同素異構(gòu)的轉(zhuǎn)變溫度稱為相變點(diǎn)。兩種結(jié)構(gòu)具體如圖１．２。逡逑通過添加合金化元素可以改變鈦合金的ｃｔ或丨；相區(qū)，如Ａｌ、Ｇａ、Ｂ等可以提高ａ相逡逑區(qū)的溫度范圍，稱為ａ穩(wěn)定元素。Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ等可以使Ｐ相區(qū)擴(kuò)展到更低的溫度范逡逑圍，稱為（３穩(wěn)定元素。鈦合金也因此可以按組織劃分為ａ型鈦合金、ａ＋ｐ型鈦合金、逡逑（３型鈦合金。具體細(xì)分還有近ａ型鈦合金、近卩型鈦合金和亞穩(wěn)（３型鈦合金。逡逑Ｃ逡逑：：v紜鰇x：逡逑卿！邋＞邐ａ逡逑０：ｍｎｍ邋＼逡逑ａ－ｙ逡逑圖１．２密排六方（ｈｃｐ）ａ－Ｔｉ和體心立方（ｂｃｃ）ｐ－Ｔｉ的結(jié)構(gòu)ｗ逡逑（３鈦合金在所有類型鈦合金中靜強(qiáng)度最高，這類鈦合金經(jīng)過強(qiáng)化可以達(dá)到逡逑１４００ＭＰａ或以上的極高強(qiáng)度水平，再加上體心立方所固有的塑性，高度合金化的Ｐ逡逑型鈦合金可以很好地替代ｃｔ＋Ｐ型鈦合金用作航空結(jié)構(gòu)材料。第一個(gè)商業(yè)Ｐ鈦合金逡逑Ｔｉ－１３Ｖ－ｌ邋ｌＣｒ－３Ａｌ由ＲＥＭ邋ＣｒｕＴｉｔａｎｉｕｍ公司于２０世紀(jì)５０年代研發(fā)并成功應(yīng)用于洛克逡逑希德公司的ＳＲ－７１“黑鳥”飛機(jī)上［５１。雖然存在熔煉、加工和再現(xiàn)性等方面的問題，但逡逑這不得不說是一個(gè)偉大的嘗試與進(jìn)步。此后，越來越多的Ｐ鈦合金應(yīng)用到了航空領(lǐng)域。逡逑隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的發(fā)展［６１
【學(xué)位授予單位】：北京有色金屬研究總院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG146.23

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2701757