钛合金热变形过程中形变与相变的交互作用及织构控制

发布时间：2020-09-21 16:01

　　钛合金热加工过程中形变和相变是不可分割的,形变不仅可以改变材料的组织形态、细化晶粒,还可以促进或抑制后续相变的发生,产生动态相变行为;形变还能导致材料相变时变体选择的发生,影响材料的最终组织和织构组态。钛合金又分为α型钛合金、α+β型钛合金以及β型钛合金,在变形和相变过程中两相组织的协调关系也会对材料最终组织、性能造成影响。因此,本文研究了形变对钛合金组织状态、相变特征、变体选择以及织构特征造成的影响:首先,研究了 α+β型的TC18合金与Ti-55531合金、近α型的TA15合金等大规格钛合金棒材在热变形过程中组织不均匀性的形成问题。通过对锻造棒材组织、织构特征的研究发现TC18合金棒材中心大尺寸{100}取向晶粒的产生是形变应力状态、冷却速度等因素造成的综合结果,且后期变形、热处理过程也难以消除。另外,近α型的TA15合金组织、性能不均匀性问题也源于高温变形时β相的组织不均匀性,使得不同部位的α相的组织分布也不均匀。通过对TC18合金热模拟压缩实验来对热变形过程中β相的{100}取向晶粒的长大行为进行深入研究,发现在高温压缩变形过程中β相的{100}取向晶粒具有充分的回复能力,伴随着热变形的进行,对其他取向的晶粒形成长大的优势,在动态诱导晶界迁移机制的作用下,{100}取向晶粒不断吞并{111U取向晶粒,从而形成大尺寸的{100}取向晶粒。提出通过增加热变形时的变形速率、改变热变形过程中施加的应力条件、增加单次变形量等方法抑制粗大{100}取向晶粒形成的方法。其次,探究了 TA2、TA15以及TC18合金在不同变形、退火过程中受应力、应变状态的影响产生变体选择的规律及机制。通过对TA2纯钛、TC18合金的高温压缩行为进行研究,发现外界应力的介入会明显促使生成的变体具有取向择优性,在压缩应力作用下,柱面平行于压缩方向取向的α相的形成更有利于相变应变的释放;通过对TA15合金锻造棒材的α相取向的研究,探究在锻造变形时复杂应力状态下发生变体选择的特征,解释了近α合金中普遍存在的微区织构“Mαcrozones”区域产生的原因,并确定了棒材中心大尺寸的β相晶粒相变时在变体选择的作用下产生粗大的α相“Mαcrozones”区域是导致性能产生不均匀性的原因;通过对冷轧TA2纯钛板材的退火研究,确定了材料相变时的表面形核及特定取向关系的变体长大会对变体选择产生影响,通过形变及不同的热处理方式,能够得到强的{ll-20}//RD方向的织构,并且控制TA2纯钛板材多种织构的形成;另外,在TC18合金的压缩、冷却相变过程中,确定了具有特殊取向关系的相邻β相晶粒会对晶界形核的α取向择优造成影响,相同β相{110}晶面的存在会更有利于释放与两β相晶粒均满足变体关系的α晶粒形成时的相变应变能,从而产生变体选择,这种满足双Burgers关系而产生的变体选择现象可以随共同{110}面晶界比例的增高而得到加强。另外,通过对TC18合金的热压缩变形,研究了形变过程中出现的形变与相变的交互作用,即热变形过程中的动态相变问题。通过对TC18合金相变点以下热压缩变形,发现了压缩变形对α→β相变的促进作用。通过与平衡状态下的热力学模拟相对比,解释了两相的自由能在压缩应力作用下的变化,阐述了在热力学上应变诱发相变发生的可能;通过对两相溶质元素在变形后的重新分布规律,导致实际相变点的变化,解释了应变促进相变发生的过程。在{100}和{111}两种取向晶粒中发现了应变促进相变的取向依赖性特征,即{111}取向晶粒中更容易发生应变诱发相变的现象。对不同的变形参数下的相变特征进行了研究,由于相变是需要多种溶质元素的长程扩散,因此足够的时间是应变促进相变发生的重要条件。通过以上对热变形β相强{100}织构的形成和在后续相变中α相变织构的形成机制进行深入研究,建立了调控钛合金各类织构的方法,从而能够对各类钛合金的性能进行优化。
【学位单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG146.23
【部分图文】：

不同类,织构,形变织构,等效弹性模量

此强的Ｐ相织构会造成钛合金材料强的各向异性特征。Ｓ．Ｈ＾ｎｅｒｙ等对Ｔｉ－逡逑５Ａｌ－５Ｍｏ－５Ｖ－３Ｃｒ合金的室温变形时Ｐ相各向异性行为的影响进行了分析，不逡逑同取向的Ｐ相组织，表现出了很强的各向异性特征，如图２－１所示，不同类逡逑３逡逑

织构,轧制方式,冷轧工艺,轧制织构

的重要变形方式，不同的轧制方式、变形参数会对纯钛的轧制行为和织构特逡逑征造成重要的影响［１４，１５］。传统单向冷轧工艺下，纯钛的冷乳织构为［０００１］平逡逑行于ＴＤ偏ＮＤ约３０°的“双峰”织构［１６’１７］，如图２－２［１７］所示。逡逑图２－２纯钛在传统冷轧工艺下的轧制织构Ｍ逡逑为了控制纯钛乳制织构的类型，不同的轧制方式越来越多的应用于纯钛逡逑的乳制生产中［１８＿２（）］。Ｇｕｒａｏ等通过单向乳制、交叉乳制和反向乳制的方式对逡逑纯钛的冷乳织构进行了研究，如图２－３［１８］所示，通过交叉轧制的方法更有利逡逑于消除传统轧制方式中的“双峰”织构，获得强的基面织构。逡逑Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｒｏｌｌｉｎｇ逡逑■邋？逡逑ＵＤＲ邋１逦逦ｔ逦逡逑Ｉ逦■邋■■逦■邋■邋■逡逑ＴＳＣＲ邋丨》逦十逦邋ｓ－－ａ－逡逑哪Ｅｌ…０逦卞逦ｇ…－ｇ逡逑ｒｒ邋Ｅ0＂＂Ｅ３逦＊■逦逡逑ＵＤＲ逦ＴＳＣＲ逦肋逦ＭＳＣＲ逦ＲＲ逡逑ｊ邋｜逡逑图２－３单向轧制、垂直轧制、交叉轧制和反向轧制的冷轧织构工艺以织构特征晸逡逑纯钛在温轧过程中再结晶行为的出现会对轧制变形的织构类型造成重要逡逑的影响［２１’２２］。Ｙ．邋Ｂ．邋0１１１１１等［２１］对工业纯钛在２５－６００°Ｃ进行了轧制变形研究，逡逑５逡逑

织构,交叉轧制,轧制变形,再结晶行为

【参考文献】