脉冲电流处理及时效处理对TC4钛合金组织及性能的影响

发布时间：2020-04-20 23:40

【摘要】：钛及钛合金因为密度小、比强度高、耐腐蚀、耐高温等各种优良的性能,获得了“第三金属”的美称,被广泛应用于航天、航空、石油化工、医疗、能源、轻工等诸多领域。由于钛合金中相变及组织的多样化使其力学性能变化范围较为宽广,如何优化组织进而获得理想的性能一直是科研工作者坚持不懈的追求。脉冲电流处理技术作为高能量瞬时输入方法,可以显著影响金属内部原子的扩散、相变及再结晶等行为,在改善材料组织及性能、节约能源等方面独树一帜,已经在许多领域有所应用。但是鲜有研究学者分析脉冲电流处理钛合金过程中的固态相变行为。本文采用脉冲电流处理与传统热处理相结合的方法,以提高强塑性为目标,对不同初始状态下的TC4合金试样进行系统的研究。通过一系列的检测分析不同初始状态合金显微组织及力学性能的变化,详细地研究了脉冲电流及时效处理后TC4合金的固态相变过程,并分析TC4合金组织细化及强化机理,最终得到不同初始态下的TC4合金的最佳力学性能的处理工艺。(1)脉冲电流的热与非热效应可以加速TC4合金发生再结晶并诱导合金发生相变,合适参数的脉冲电流处理可使不同初始态的TC4合金快速转变为魏氏组织,推进了其固态相变的进程。相比于空冷,脉冲电流处理后水冷的快速冷却方式得到的原始β晶粒的尺寸更为细小,更有利于实现脉冲电流处理合金组织的细化。而且与传统固溶时效处理相比较,脉冲电流结合时效处理的工艺可以实现TC4合金的超高强度化。(2)初始态为退火态的试样进行脉冲电流处理时,随着脉冲电流参数的增加,显微组织由稳定的α相与β相转变为典型的魏氏组织。当脉冲电流作用时间为400 ms时,组织由α相、亚稳定β以及六方马氏体组成,此时获得较好的力学性能。随后,将电脉冲作用400 ms的试样在不同温度、不同时间下进行传统时效,结果表明最佳时效温度为530℃,最佳保温时间为1h。在时效过程中亚稳定相分解为细小弥散的(α+β)平衡相。合金的抗拉强度由1006.19 MPa提高到1383.66 MPa,延伸率为15.76%,洛氏硬度为40.04 HRC。(3)在(α+β)两相区不同温度进行固溶处理,得到不同形态的等轴组织,经过900℃固溶处理后的组织中亚稳定相较多。以α+β固溶态(900℃-WC)的等轴组织为初始态试样,经过脉冲电流作用时间为460 ms处理后发生α→β→α?相变。同时内部出现较多亚晶界,晶粒明显细化。此外,β相中具有高密度的位错缠结,导致位错运动受限制。时效后,六方马氏体强烈地分解为细小弥散的(α+β)平衡相,此时细晶强化、位错强化、相变强化、沉淀强化的综合作用使合金达到最佳的强化效果。TC4合金的抗拉强度由1125.06 MPa增加到1459.26 MPa,延伸率为14.28%,硬度为41.73 HRC,其综合力学性能最好,合金的比强度由0.223 N·m/kg提高到0.323 N·m/kg。(4)以β固溶态的全片层组织为初始态试样,在脉冲电流快速升温过程中马氏体发生逆相变,生成相对细小的α丛束导致合金有所强化。最佳参数为460 ms的电脉冲试样在时效处理后沿次生α相周围弥散较多时效β,导致合金进一步强化,抗拉强度由1055.47 MPa提高到1305.18 MPa,但此时塑性较差,拉伸断口为解理断裂。
【图文】：

晶体结构,金合金,合金元素

图 1.1 -Ti 和 β-Ti 的晶体结构[1]Fig.1.1 Crystalline structure of -Ti and β-Ti[1]金合金化特点金化的主要目的是利用合金元素对相或者 β 相的稳定作

二元相图,钛合金,二元相图,稳定元素

图 1.2 钛合金中添加或 β 稳定元素的二元相图[33, 34]Fig.1.2 Binary phase scheme of Ti alloy add to /β stabilizers[33, 34]
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.23;TG166.5

【参考文献】