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预变形Ti-6Al-4V合金600℃以下碳氮共渗组织演变及性能研究

发布时间:2020-04-24 10:05
【摘要】:针对Ti-6Al-4V合金硬度低耐磨性差的缺点,我们选择预先对TC4合金进行840℃固溶处理,然后进行冷轧变形,最后在550℃及460℃两个相对低的温度下对合金进行不同保温时间碳氮共渗处理来达到提高合金综合性能的目的。利用金相显微镜、扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、背散射电子衍射(EBSD)对变形试样和碳氮共渗处理试样进行组织结构分析。运用显微硬度、摩擦磨损试验测试合金的耐磨性。TC4合金经过固溶处理和室温冷轧后,对变形试样进行组织分析,结果显示:合金内部由于固溶水冷产生的亚稳定α,相和β,相进一步分解为β相,随着变形量的增加β相含量逐渐增加,晶粒细化越来越明显。EBSD分析0%、30%、50%变形量试样组织,结果表明变形量越大晶粒尺寸越小,小角度晶界百分比先增大后减小,0%变形量试样经过水冷后内部产生大量残余应力并在晶界处产生位错,随着变形量增加内部位错密度不断增加,合金织构成分随着变形量增大织构类型由近似横向织构转变为横向织构。经过550℃和460℃碳氮共渗后,扫描电镜下观察到试样表面沉积了白色颗粒,EDS能谱显示表面存在碳元素和氮元素,随着温度、保温时间、变形量变化表面碳氮元素含量也发生变化。观察试样截面并没有发现明显渗层,碳元素和氮元素从试样表面到心部均有分布,表面氮元素和碳元素高于心部碳元素和氮元素。XRD数据显示合金中主要形成了TiN、TiN_(0.3)、Ti_2N、CTi_(0.42)V_(1.58)、AlTi_3(C、N)_(0.6)、C及金属间化合物。EBSD技术分析550℃保温22h0%、30%、50%碳氮共渗试样,与变形试样比织构发生了偏转,强度发生了明显变化,原始织构强度明显减弱。随着变形量增加合金晶粒尺寸比变形试样有所减小,小角度晶界明显减少,β钛和TiN含量逐渐增加,在碳氮共渗过程中合金发生了回复再结晶且变形量越大再结晶程度越高。这些结果表明,相同的碳氮共渗工艺条件下材料的位错密度越高,晶粒尺寸越小晶界越多,晶体织构越接近于横向织构,生成的硬质相越多,碳氮共渗效果越好。合金经过冷轧变形硬度在280HV-310HV之间,碳氮共渗后无论是表面硬度还是心部硬度都明显提升,550℃保温22h50%变形量试样硬度提高最大,表面硬度达到了最大值为587HV,接近心部位置硬度值为445HV。摩擦磨损实验结果显示,相同温度下保温时间延长合金的摩擦系数和磨损率不断减小,变形量增加摩擦系数和磨损率也呈现下降趋势。磨损机理主要以粘着磨损和磨粒磨损为主,其中本文所分析的试样中550℃保温22h40%变形量试样磨粒磨损现象最为明显,说明冷变形复合低温碳氮共渗工艺可以有效的提高TC4合金整体综合性能。
【图文】:

位错墙,形变带,位错缠结,剪切带


图 1.1 (a)位错缠结;(b)位错墙;(c)形变带;(d)剪切带在变形过程中晶粒会产生不同取向,晶粒被拉长同时晶粒会细化。当甚至会出现纳米晶。变形后的合金基体中可能存在的三种亚结构:位缠结或随机排列分布在晶粒中;亚晶及位错胞,变形时形成的体积最过渡带,晶粒中取向不同的区域称为变形带。变形时很多组滑移系被增加晶粒取向也会发生变化,这些变形带之间区域成为过渡带,剪切多晶体在冷轧过程中形成的剪切带,可能穿过很多晶粒。轧后织构的形成与表述体在加工过程中易形成择优取向,我们将这种晶体结构定义为织构。体的力学、光学等性质方面在不同方向上出现各向异性。加工,轧制,拉伸及退火等均会使多晶材料产生织构。冷轧变形后基度是增加的,主要的原因是本身就存在的位错被钉扎和新形成的位错应用到实际生产中,可以优化材料的性能,能更好发挥材料在航空航

示意图,滑移方向,滑移面,滑移系


哈尔滨工程大学硕士学位论文的主要滑移系如图 1.2 所示,,由于六方晶系的滑移系少,材料在动五个独立滑移系。对于 α 钛提供不了变形所需的五个滑移系,滑移或者以孪生的方式协调变形。α 钛的滑移面主要集中在 5 个{11-21}及{2-1-12},柱面{10-10}和基面{0001}面。滑移方向为1-20>三个方向。基面滑移的临界分切应力较低,因此基面滑移很,锥面滑移最困难[76]。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TG146.23;TG156.82

【参考文献】

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本文编号:2638845

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