【摘要】：600℃應(yīng)用的高溫鈦合金具有輕質(zhì)、耐熱、高強(qiáng)等優(yōu)良特性,在航空航天上具有廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前對(duì)600℃高溫鈦合金的研究主要集中在變形合金上,對(duì)鑄造成形600℃高溫鈦合金的研究比較匱乏。本論文重點(diǎn)研究了凝固條件與合金元素對(duì)鑄造高溫鈦合金組織及性能的影響。首先分析了Ti-1100合金與CaO坩堝的界面反應(yīng)規(guī)律。研究結(jié)果表明,熔融金屬和CaO坩堝的界面反應(yīng)是由坩堝輕微的化學(xué)溶解和微弱的物理侵蝕引起的。儀反應(yīng)層的形成機(jī)制是間隙氧原子在界面處的擴(kuò)散。對(duì)Ti-1100合金和CaO坩堝反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能進(jìn)行了計(jì)算,得到Ca和O的平衡常數(shù)和相互作用參數(shù)分別為logK=-3.14和eOCa=-3.54。不同鑄件模數(shù)Ti-1100試樣的鑄態(tài)組織均為魏氏組織,合金的原始β晶粒尺寸和α片層間距均隨鑄件模數(shù)的降低而下降。其中模數(shù)為2.5mm試樣的原始β晶粒尺寸和α片層間距分別為249.4μm和5.3μm,與模數(shù)為5.6mm的試樣相比分別下降了43.7%和22.1%。合金的顯微硬度隨鑄件模數(shù)的降低而升高。合金的β轉(zhuǎn)變溫度隨鑄件模數(shù)的增加而降低,隨升溫速率的提高而增加。合金在熱處理后組織仍屬于典型的魏氏組織,合金的原始β晶粒尺寸和α片層間距均隨鑄件模數(shù)的降低而下降,合金經(jīng)不同熱處理后的顯微硬度值均比鑄態(tài)時(shí)有所提高,相同熱處理?xiàng)l件下合金的顯微硬度值均隨鑄件模數(shù)的降低而提高。研究了不同Zr含量對(duì)鑄態(tài)Ti-1100合金顯微組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)Zr含量的增加對(duì)合金的組織具有細(xì)化作用。6wt.%Zr成分的合金中有TiSi和S2型硅化物析出,析出位置均在β相處。TiSi相屬于正交晶型結(jié)構(gòu),與殘留β相存在如下位向關(guān)系：(102)TiSi//(110)β,[241]TiSi//[001]β型硅化物屬于密排六方結(jié)構(gòu),且長(zhǎng)軸方向與α片層的延伸方向交叉呈(100)TiSi//(101)β,[011]TiSi //[111]β。S260°夾角。S2型硅化物與α相之間存在如下位向關(guān)系：和((0110)S2//(2110)α,[2113]S2 //[0001]α合金的顯微硬度隨Zr含量的(1010)S2//(1210)α,[1213]S2//[1011]α。增加而增加。合金的β轉(zhuǎn)變溫度隨Zr含量的增加而降低。合金在熱處理后組織仍屬于魏氏組織。不同熱處理?xiàng)l件下合金的原始p晶粒尺寸和α片層間距均隨Zr含量的增加而降低。合金在熱處理后的顯微硬度值與鑄態(tài)合金相比均有所提高,同種熱處理?xiàng)l件下合金的顯微硬度值隨Zr含量的增加而增加。添加微量B元素能顯著細(xì)化Ti-1100合金的凝固組織,TiB相易于沿著[010]方向生長(zhǎng)形成針狀結(jié)構(gòu)以降低由于晶格畸變產(chǎn)生的界面能,TiB相與鈦基體之間的界面比較干凈且沒(méi)有缺陷產(chǎn)生。TiB相內(nèi)部沿(100)面方向出現(xiàn)大量的堆垛層錯(cuò),這是由硼原子在TiB晶體結(jié)構(gòu)(B27結(jié)構(gòu))中的位置以及TiB與Ti基體的晶格錯(cuò)配能引起的。鑄態(tài)合金的維氏硬度值隨B元素含量的增加而增加。合金的β轉(zhuǎn)變溫度隨B含量的增加而增加。不同熱處理?xiàng)l件下Ti-1100合金的α片層間距隨B含量的增加而降低。不同成分合金在熱處理后的顯微硬度值與鑄態(tài)合金相比均有所提高,同種熱處理?xiàng)l件下合金的顯微硬度值隨B含量的增加而增加。研究了Nb元素對(duì)鑄造Ti-1100合金的組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明,Nb元素的添加對(duì)合金的組織具有細(xì)化作用并促使合金析出S2型硅化物。合金的顯微硬度隨Nb含量的增加先增加后降低。對(duì)含Nb鈦合金的斷裂韌性分析結(jié)果表明,合金的斷裂韌性值隨隨Nb含量的增加而增加,其中Ti-1100-1.0Nb合金的斷裂韌性值可達(dá)到44.5MPa·m1/2,比未添加Nb的合金提高了15.6MPa·m1/2。斷裂韌性的增加可歸因于晶粒細(xì)化和硅化物的析出提高了裂紋尖端擴(kuò)展路徑的曲折程度。含Nb和不含Nb合金的主要斷裂形式均為解離斷裂。不同Nb含量Ti-1100合金的熱處理組織仍為魏氏組織。同種合金的原始β晶粒尺寸和α片層間距在不同熱處理?xiàng)l件下變化不大,同種熱處理?xiàng)l件下的原始β晶粒尺寸和α片層間距均隨Nb含量的增加而降低。EBSD分析結(jié)果表明,各熱處理合金中均沒(méi)有出現(xiàn)明顯的織構(gòu),合金的晶界包含小角度晶界和大角度晶界兩種,其比例隨熱處理制度略有不同,各熱處理合金在60。大角度晶界附近有β→α相變發(fā)生,形成β→α轉(zhuǎn)變組織。不同成分合金在熱處理后的顯微硬度值與鑄態(tài)合金相比均有所提高,同種熱處理?xiàng)l件下1.0wt.%Nb成分合金的顯微硬度值要低于0.5wt.%Nb成分合金的。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TG292
【圖文】：

近α型鈦合金的各種組織

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文時(shí)，Ti-Al 二元系合金基體中會(huì)析出球狀 α2相。隨著時(shí)球狀變?yōu)闄E球形。合金成分的改變也會(huì)改變 α2相的形加入 Sn 時(shí)，會(huì)析出等軸狀 α2相，而 Ga 的加入則會(huì)使的析出地點(diǎn)隨時(shí)效溫度不同而發(fā)生變化，如圖 1-3 所時(shí) α2相在位錯(cuò)和晶界處不均勻形核；中等溫度時(shí)效（錯(cuò)和晶界處形核，而后在基體中均勻形核；低溫時(shí)效在位錯(cuò)、晶界及基體中均勻形核[75]。

α2相在位錯(cuò)和晶界處不均勻形核；中等溫度時(shí)效和晶界處形核，而后在基體中均勻形核；低溫時(shí)位錯(cuò)、晶界及基體中均勻形核[75]。圖 1-2 有序 α2相的 D019結(jié)構(gòu)[58]Fig. 1-2 Crystal lattice of Ti3Al (α2) phase[58]

本文編號(hào)：2760861