Beta钛合金的形变机制及性能研究

发布时间：2020-11-11 06:29

　　 β钛合金具有低密度、高比强度、优异的耐腐蚀性以及良好的生物相容性等诸多优点,被广泛应用于航空、汽车和生物等产业。随着钛合金在工程应用领域的不断拓展,人们对其力学性能也提出了越来越高的要求。因此,有必要开发高强度高塑性的新型β钛合金。β钛合金的力学性能与其形变机制密切相关,通过成分设计和热处理调节形变机制进而改善力学性能是β钛合金的主要强韧化方法。针对目前常用的d电子成分设计法和固溶时效热处理在实际应用中的局限性,本文以Ti-Mo基β钛合金为基础建立了价电子溶度―平均原子半径差成分设计理论模型和分级淬火热处理工艺。利用X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)和透射电子显微镜(TEM)等表征手段研究了合金的微观结构和形变机制,获得了综合力学性能优异的β钛合金。本文主要研究结果如下:制备了Ti-(5,8,10,15,20 wt.%)Mo二元系列钛合金,发现将β相保留至室温所需的Mo含量高于10 wt.%。固溶水冷态Ti-Mo合金的形变方式主要取决于β稳定性,Ti-10Mo和15Mo合金表现出较大的延伸率(30和37%)以及较高的抗拉强度(756和739 MPa),TEM观察形变后的Ti-10Mo和15Mo样品中存在大量孪晶。Ti-20Mo合金由于Mo含量的增加导致13%的低延伸率,其形变组织主要为位错。随着Mo含量及β稳定性的增加,βTi-Mo合金的形变机制由孪生转变为滑移。固溶处理后不同的冷却方式影响Ti-Mo合金β基体中α″马氏体和ω相的形成,进而改变合金的形变机制。水冷态Ti-(10,11,12 wt.%)Mo合金在形变中发生了马氏体再取向和应力诱发马氏体(SIM)相变,在3%拉伸卸载测试中产生了0.4~0.7%的超弹性并且升温后继续发生了0.1~0.3%的形状记忆回复应变,总回复应变和总应变回复率分别达到1%和33%。较高的Mo含量抑制了α″和ω相的形成,提高了亚稳β相的比例,对应力诱发α″马氏体相变和合金的超弹性起到促进作用。而空冷态合金包含的ω相阻碍了马氏体再取向和SIM,导致形状记忆性能的降低。合适的分级淬火工艺可以同时调控α″马氏体相变和α沉淀析出,优化相组成并细化组织,进而改善亚稳β钛合金的综合力学性能。Ti-10Mo(wt.%)合金固溶后直接冷却得到较多的α″马氏体或者ω相,导致较差的力学性能。固溶+650℃时效处理快速生成了粗大的α沉淀使得合金的塑性下降至5%。根据计算得到的Ti-10Mo合金的α平衡相变TTT曲线设计了650℃保温0.5 h的分级淬火工艺,在合金内部得到了20 nm以下的细小α沉淀、沿晶界分布的少量α″马氏体和细小弥散的ω颗粒共存于β基体中的多相组织,获得了高强度(790 MPa)和高塑性(23%)的综合力学性能。利用d电子成分设计法设计了Ti-8Mo-4.5Co和Ti-11Mo-7Zr(wt.%)三元Ti-Mo基β钛合金,Ti-11Mo-7Zr合金在形变中发生了应力诱发α″马氏体相变和孪生,得到475 MPa的低屈服强度和28%的高延伸率,符合d电子合金设计法的预测。但是Ti-8Mo-4.5Co合金的形变方式以位错滑移为主,导致980 MPa的高屈服强度和8%的低延伸率,与d电子合金设计法的预测不相符,说明该理论需要进一步完善和补充。选取不同的合金化元素会影响β钛合金的晶格切变能力,进而影响孪生/SIM的发生。以合金的价电子溶度和各合金化元素与Ti的平均原子半径差为参数建立价电子溶度―平均原子半径差理论模型,绘制得到0)/(6?????-????成分设计图,并在图中划分出孪生/SIM和位错滑移两种形变机制对应的区域。理论分析发现价电子溶度的降低促进了孪生/SIM的发生。较低的平均原子半径导致较小的晶胞体积,不利于孪生/SIM。平均原子半径差越大代表晶格畸变越大,同样对晶格切变和孪生/SIM不利。结合d电子成分设计法和价电子溶度―平均原子半径差理论模型设计了Ti-11Mo-7Nb-3.5Zr和Ti-14Mo-7Nb-3.5Zr(wt.%)四元Ti-Mo基β钛合金。Ti-11Mo-7Nb-3.5Zr合金经过大范围的应变硬化阶段,达到了780 MPa的抗拉强度和53%的延伸率,综合性能优异,验证了价电子溶度―平均原子半径差理论模型以及合金元素的价电子数和原子半径对β钛合金形变机制的影响。本研究提出了新的β钛合金成分设计理论模型和分级淬火热处理工艺,并通过实验测试证明了其有效性。上述研究结果不仅深化了相关领域对β钛合金的形变机制的理解,也为β钛合金的力学性能的改善提供了理论和实验基础,为高性能β钛合金的开发提供了新的思路和依据,具有重要的理论指导与实际参考意义。
【学位单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG146.23
【部分图文】：

性能优异、生物相容性好等优点，在航空航天、石油化工、生物医药、海洋工程及汽车等领域具有广泛的应用[1-3]。钛合金的应用领域主要有三块[4]：军事工业领域、生物医用领域以及民用领域。军事工业领域是钛合金最大的市场，以航空、舰船结构应用为主，如第 3代 F-15 战斗机的钛合金用量占 27%，第 4 代 F-22 战斗机中钛合金占 41%。用钛合金为舰船制造的外壳海水无法腐蚀，制成的潜艇既能抗海水腐蚀又能抗深层压力，其下潜深度比不锈钢潜艇增加 80%。同时，钛没有磁性，不会被水雷发现，具有很好的反监测作用。在生物医用领域，钛及其合金凭借优良的综合性能，成为人工关节、骨创伤用品、脊柱矫形内固定系统、牙种植体、牙矫形丝、人工心脏瓣膜、血管支架等医用内植入产品的首选材料。在民用领域，低密度的钛制品成为汽车、民航工业轻量化的热门选择。如图 1.1 所示，随着年代的推进，波音飞机上的钛合金用量占飞机的空重比越来越高，其主要用于制造机身、航空发动机以及起落架等[1]。

大以及极端条件下的服役需求，传统的钛合金越来越满足不了市场需求，需发新的高品质高性能钛合金。目前美国是世界上最大的钛材生产国和钛材消费国，50%以上的钛材用于航业。从钛材的需求方面看，航空航天领域对钛材质量要求较高。然而我国生钛材主要用于化工产业，该领域使用的钛材往往属于低端钛材。从 2016 年来看（图 1.2）[7]，我国销售的钛材中 42%都销售给了化工产业，而只有 19.3给航空航天领域，说明我国生产的钛材大部分是低端钛材，高端钛材的用量较少。当前我国与美国、日本、俄罗斯在钛加工技术上还有较大差距，国内钛材需求无法自给自足，需要依赖进口。大飞机用钛材还不能完全自主生端钛制品需从国外采购。化工、冶金等民用中低端钛材生产能力大幅过剩。，我国基础性研究薄弱，原创性和革命性的钛材设计与工艺技术少。近年来提出借鉴德国工业 4.0 发展中国制造 2025 的目标，必须对钛工业进行产业，研发具有自主知识产权的高性能结构钛合金。

图 1.3 钛合金中合金化元素的分类Fig. 1.3 Classification of alloying elements in Ti alloys由于钼的 β 稳定能力较强，钼当量（[Mo]eq）常被用来定量表示 β 稳定性的高低，同时也是钛合金成分设计的基本准则之一。钼当量由 Bania[11]于 1994 年提出，将不同 β 稳定元素稳定高温 β 相至室温的临界浓度与钼进行比较得到一个系数，即以钼的 β 稳定能力为标准考量其它元素的 β 稳定能力。例如在纯 Ti 中加入 10 wt.%的 Mo 可以将高温 β 相稳定至室温，加入 36 wt.%Nb 也刚好可以稳定 β 相至室温，所以 1 wt.% Nb 的作用相当于 0.28 wt.%的 Mo，即 Nb 的钼当量为 0.28。按同样方法算出其他元素的钼当量，然后根据各元素含量比（wt.%）统计合金整体的钼当量，其计算公式如下：[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)
【参考文献】

相关期刊论文 前3条

1 刘奇先;刘杨;高凯;;钛合金的研究进展与应用[J];航天制造技术;2011年04期

2 杨冬雨;付艳艳;惠松骁;叶文君;于洋;梁恩泉;;高强高韧钛合金研究与应用进展[J];稀有金属;2011年04期

3 訾群;;钛合金研究新进展及应用现状[J];钛工业进展;2008年02期

本文编号：2878872