本文選題：鈦鋯基合金 + 成分優(yōu)化　； 參考：《燕山大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：鈦(Ti)及鈦合金由于具有高比強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕性能和低密度等優(yōu)點(diǎn),被廣泛的應(yīng)用于航空航天和化學(xué)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(xué)性能,主要應(yīng)用于核工業(yè)和醋酸工業(yè)中。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)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(jìn)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)境以及Ti和Zr合金的優(yōu)異物理和力學(xué)性能,本文以發(fā)展新型空間結(jié)構(gòu)材料為目標(biāo),運(yùn)用多種實(shí)驗(yàn)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(xué)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Ti ZrAl合金中分別起到穩(wěn)定HCP-α相和穩(wěn)定BCC-β相的作用,當(dāng)Zr含量達(dá)到40at.%時(shí),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(xué)性能。在TiZrx Aly(x=0-40,y=0-15)合金中,TiZr25Al15合金具有最優(yōu)異的綜合力學(xué)性,其抗拉強(qiáng)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(qiáng)度合金。通過調(diào)整變形及熱處理參數(shù)進(jìn)一步改善和優(yōu)化合金的綜合力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)過α單相區(qū)熱軋的TiZr25Al15合金其力學(xué)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(xì)小的等軸組織,其抗拉強(qiáng)度達(dá)到1564Mpa,同時(shí)具有9%的延伸率,相比較于鑄態(tài)合金的拉伸性能(強(qiáng)度1144Mpa,延伸率2.2%),合金強(qiáng)度和延伸率分別提高了36.7%和309%。此外,TiZr25Al15合金經(jīng)過700°C軋制不同溫度退火后,微觀組織呈現(xiàn)出明顯差異,800°C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°C軋制800°C1h退火后的TiZr25Al15合金具有1730MPa的抗拉強(qiáng)度和4.5%的延伸率。在進(jìn)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。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TiZr Al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(shí)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、5、10、15)合金的室溫塑性變形機(jī)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(jī)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)應(yīng)力增加;當(dāng)應(yīng)變速率超過1/s時(shí),合金中應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變過程被完全抑制,合金的主要變形機(jī)制為滑移。
[Abstract]:Titanium (Ti) and titanium alloys have been widely used in aerospace and chemical industries because of their high specific strength, excellent corrosion resistance and low density. The metal element zirconium (Zr) and its alloys, which belong to the same genus IVB with titanium, have excellent physical chemistry, such as small neutron absorption cross section, anti oxidation, corrosion resistance, and low thermal expansion coefficient. Performance, mainly used in the nuclear industry and the acetic acid industry. With the progress of science and technology, Ti and Zr alloys are gradually applied in the aerospace field. However, the continuous progress of the aerospace industry and the extremely bad service conditions of space have put forward more stringent requirements for the performance of space structure materials. For the harsh environment and the excellent physical and mechanical properties of Ti and Zr alloys, the phase composition, microstructure and mechanical properties of different components of TiZrAl alloys under a variety of deformation processes and heat treatment conditions are studied in this paper for the development of new space structure materials. A series of TiZrAl alloys were prepared by the consumable arc furnace. The effect of the change of each component content on the structure and properties of the alloy was studied. The results showed that the Al and Zr elements played a role in stabilizing HCP- a phase and stabilizing the BCC- beta phase in the Ti ZrAl alloy. When the Zr content reached 40at.%, the beta phase was completely retained to room temperature. Furthermore, Al elements were found. The mechanical properties of TiZrAl alloy can be significantly improved by Zr elements. In TiZrx Aly (x=0-40, y=0-15) alloys, the TiZr25Al15 alloy has the most excellent comprehensive mechanical properties. The tensile strength of the alloy can be kept above 1300MPa and has the tensile elongation of 4.5%-11%. 10kg suspension smelting furnace and 100kg self consumable arc furnace are used to prepare TiZr25. Two kinds of high strength alloys, Al15 and TiZr40Al15, are further improved and optimized by adjusting the deformation and heat treatment parameters. The experimental results show that the mechanical properties of TiZr25Al15 alloy after a single phase zone hot rolling are obviously better than that of the TiZr25Al15 alloy of the alpha + beta two phase and the beta single zone hot rolled. After 800 degree C hot rolled TiZr25Al1 The 5 alloy presents a fine equiaxed structure with a tensile strength of 1564Mpa and 9% elongation at the same time. Compared with the tensile properties of the cast alloy (strength 1144Mpa, elongation 2.2%), the strength and elongation of the alloy are increased by 36.7% and 309%. respectively. The microstructure of TiZr25Al15 alloy after annealing at different temperatures in 700 degree C is evident. The alloy has complete recrystallization and annealing twins after 800 C annealing. The TiZr25Al15 alloy after 700 C rolling 800 degrees C1h has 1730MPa tensile strength and 4.5% elongation. In the further study of the microstructure evolution of TiZr25Al15 alloy during annealing, the TiZr25Al15 alloy is in the alpha + beta two phase or beta The relationship between the width of the phase plate and the heat preservation temperature and the cooling rate of the second phase area satisfies the equation B (T0, V) =0.189[(T0-769) / V]1/2.. The results show that the Zr in TiZrAl alloy can increase the effect of local stress on the formation of martensite and Zr in TiZrAl alloy, and Zr. The addition can improve the binding energy of the beta phase in the TiZr Al alloy to stabilize the beta phase. In the TiZrAl alloy, the alpha 'martensitic phase and the beta phase obtained at high temperature are not stable during the aging process. The decomposition processes are alpha', alpha ', alpha to alpha, and beta to alpha to alpha +Ti2AlZr., respectively, on the plastic deformation of TiZrAl alloy. It is shown that the plastic deformation mechanism of the annealed TiZr25Alx (x=0,5,10,15) alloy is mainly the sliding of {0002} along the base surface and the slip of a small number of pyramid surface {10-11}, and the mechanism of twin deformation is not observed. In addition, the stress induced phase transformation of the stress induced beta phase to alpha 'martensitic phase will occur in the tensile process of the quenched TiZr40Al15 alloy, in which the stress induces the phase transformation of the beta phase to alpha' martensitic phase. The phase relation between the alpha 'martensitic phase and the quenched beta phase is [111] beta //[100] alpha. In the range of 30-700 mu m and the strain rate of 1 x 10-4/s-1 x 10-1/s, with the decrease of grain size or the increase of the strain rate, the triggering stress of martensitic transformation occurs in the alloy; when the strain rate exceeds 1/s, the stress induced in the alloy is induced. The martensitic transformation process is completely inhibited, and the main deformation mechanism of the alloy is slip.
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG146.23

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本文編號(hào)：2003872