热加工对Ti-6554高强高韧钛合金组织性能的影响研究

发布时间：2020-06-07 17:29

【摘要】：钛合金由于良好的比强度和比刚度,优异的耐腐蚀性能、高温性能和生物相容性,在航空、航天、化工、生物医疗等领域具有的广泛应用。随着飞机的大型化和整体化对钛合金提出了更高的要求,除了要具有高强度外,还需要具有良好的断裂韧性和疲劳性能。因此,有必要研究高强高韧钛合金的高温变形特征及热加工对合金组织性能的影响规律,这对其在飞机上的应用十分重要。Ti-6554(Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al)合金是一种新型高强高韧钛合金,在军民用飞机上应用前景广阔。本文以Ti-6554钛合金为研究对象,系统地研究了热变形特征及热加工图,开展热变形加工及热处理对合金组织性能的影响研究,确定最佳的加工工艺范围和最佳的强度-塑性-韧性匹配。对Ti-6554合金试样进行相变点上、下的热压缩实验,研究了合金的热变形行为并拟合了高温变形时的本构方程,绘制热加工图。结果表明:合金在高温变形过程中流变应力对温度和应变速率都十分敏感。在相同的应变速率下,温度升高,流变应力降低。而在相同温度下,应变速率升高,流变应力也升高。根据热加工图,合金在β单相区800-890℃,0.01-0.03s-1区间内变形具有较高的耗散系数,微观变形机制是动态回复和动态再结晶;在(α+β)两相区变形时的高耗散系数区间为740-770℃,0.01-0.03s-1,微观变形机制主要是动态回复。这两个区间是合金的适宜加工区。此外合金的塑性失稳区主要在温度740-900℃,应变速率0.05-1s-1的区域内。失稳区内变形加工会造成组织的局部塑性流动。对合金进行单相区变形加工+两相区热处理,研究热处理制度对组织和性能的影响,结果表明:单相区变形加工的合金热处理后组织中主要含有条状的初生α相和针状的次生α相。合金强化主要来自次生α相的析出强化,固溶温度越高,时效温度越低,次生相析出越多,此时强度较高。而塑性则与初生α相的含量有关,相同强度条件下,合金中初生α相含量越多合金的塑性越好。典型热处理制度下合金的强度可达1300MPa～1600MPa,延伸率2%～10%。合金的断裂韧性与裂纹在合金组织中的扩展路径有关,路径越曲折,断裂韧性越高。经过760℃/1h,AC+560℃/2h,AC后合金的断裂韧性最高,达到54.4MPa·m1/2,此时强度为1341MPa,延伸率10%。对合金进行两相区变形加工+单相区热处理,研究晶粒尺寸与断裂韧性的关系,确定最佳固溶制度,并研究时效热处理对组织性能的影响。结果表明:晶粒尺寸随着固溶温度的升高和固溶时间的延长而增大。晶粒尺寸为125μm时,合金的断裂韧性最高,此时固溶制度为890℃/1h。不同时效制度下,合金强度在1200MPa～1500MPa,延伸率在3～9%之间。强化机理与单相区加工两相区热处理的类似,都是次生α相的析出强化作用,次生α相数量和尺寸直接影响合金的强度和塑性,塑性与强度呈负相关。通过热处理制度的优选获得不同强度级别的强度-塑性-韧性匹配。抗拉强度在1241MPa,延伸率在8.5%时,合金的断裂韧性最高为80.5MPa·m1/2。抗拉强度为1350MPa,延伸率在6%时,合金的断裂韧性为65MPa·m1/2,抗拉强度为1525MPa延伸率为3.5%时,断裂韧性可达54.1MPa·m1/2,基本在55MPa·m1/2以上,满足高强高韧钛合金的标准。
【图文】：

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系数和低热导率等特点（表１．１［１］）。目前其作为结构材料已经广泛应用于航空、航天、逡逑化工、石油等领域。在航空领域中，钛合金可以替代高密度合金为飞机减重，而现代逡逑飞机钛合金的用量也越来越大（图１．１邋［２］）。美国第三代战斗机Ｆ－１４和Ｆ－１５钛合金用量逡逑分别占２４％和２７％，而第四代战斗机Ｆ－２２钛合金用量高达４１％［３］。逡逑表Ｕ钛和几种金属的物理性能１１１逡逑Ｐｈｙｓｉｃａｌ邋ｐｒｏｐｅｒｔｙ逦Ｔｉ逦Ｍｇ逦Ａ１逦Ｆｅ逦Ｎｉ逦Ｃｕ逡逑Ｄｅｎｓｉｔｙ（ｇ／ｃｍ３）逦４．５４逦１．７４逦２．７逦７．８逦８．９逦８．９逡逑Ｍｅｌｔｉｎｇ邋ｐｏｉｎｔ（°Ｃ）逦１６６８逦６５０逦６６０逦１５３５逦１４５５逦１０８３逡逑Ｂｏｉｌｉｎｇ邋ｐｏｉｎｔ（°Ｃ）逦３２６０逦１０９１逦２２００逦２７３５逦３３３７逦２５８８逡逑Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ邋ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ（１０＂６／°Ｃ）逦８．５逦２６逦２３．９逦１１．７逦１３．３逦１６．５逡逑Ｔｈｅｒｍａｌ邋ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ（１０２Ｗ／（ｗＫ））邋０．１４６３逦１．４６５４逦２．１７７１逦０．８３７４逦０．５９４５逦３．８５１８逡逑Ｅｌａｓｔｉｃ邋ｍｏｄｕｌｕｓ（ＧＰａ）逦１１３逦４３．６逦７２．４逦２００逦２１０逦１３０逡逑５邋＇逡逑＾邋４＇逦７４７ＳＰ逡逑Ｓ逡逑｜３－邋，，，逡逑蛋逦７３７逦．＾４７逡逑ｍ２－逦■，逡逑Ｉ逦－７６７逡逑．１邋－邋ｙ＆ｎ逡逑＾７０７逡逑■逡逑０－逡逑６０逦６５逦７０逦７５逦８０逦８５逡逑Ｒｏｌｌｏｕｔ邋Ｙｅａｒ逡逑图１．１逦１９５５－１９８５波音公司飞机应用钛合金的减重效果ｍ逡逑１

体心立方,钛合金

钛及钛合金具有两种不同的晶体结构，每种晶体结构的都有一个对应的温度范围。逡逑低温时的钛及钛合金称为ｃｔ－Ｔｉ，其晶体结构为密排六方（ｈｅｐ）；高温时，其为体心立方逡逑结构（ｂｅｅ），称为卩－Ｔｉ。两种同素异构的转变温度称为相变点。两种结构具体如图１．２。逡逑通过添加合金化元素可以改变钛合金的ｃｔ或丨；相区，如Ａｌ、Ｇａ、Ｂ等可以提高ａ相逡逑区的温度范围，称为ａ稳定元素。Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ等可以使Ｐ相区扩展到更低的温度范逡逑围，称为（３稳定元素。钛合金也因此可以按组织划分为ａ型钛合金、ａ＋ｐ型钛合金、逡逑（３型钛合金。具体细分还有近ａ型钛合金、近卩型钛合金和亚稳（３型钛合金。逡逑Ｃ逡逑：：v纭鰇x：逡逑卿！邋＞逦ａ逡逑０：ｍｎｍ邋＼逡逑ａ－ｙ逡逑图１．２密排六方（ｈｃｐ）ａ－Ｔｉ和体心立方（ｂｃｃ）ｐ－Ｔｉ的结构ｗ逡逑（３钛合金在所有类型钛合金中静强度最高，这类钛合金经过强化可以达到逡逑１４００ＭＰａ或以上的极高强度水平，再加上体心立方所固有的塑性，高度合金化的Ｐ逡逑型钛合金可以很好地替代ｃｔ＋Ｐ型钛合金用作航空结构材料。第一个商业Ｐ钛合金逡逑Ｔｉ－１３Ｖ－ｌ邋ｌＣｒ－３Ａｌ由ＲＥＭ邋ＣｒｕＴｉｔａｎｉｕｍ公司于２０世纪５０年代研发并成功应用于洛克逡逑希德公司的ＳＲ－７１“黑鸟”飞机上［５１。虽然存在熔炼、加工和再现性等方面的问题，但逡逑这不得不说是一个伟大的尝试与进步。此后，越来越多的Ｐ钛合金应用到了航空领域。逡逑随着飞机设计准则的发展［６１
【学位授予单位】：北京有色金属研究总院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.23

【参考文献】