航空用钛合金显微组织控制和力学性能关系

钛合金由于具有多样性和复杂性的固态相变特征,其组织性能关系一直都是材料科学工作者研究的热点之一。通过调整钛合金的成分配比、加工工艺以及热处理工艺参数,可以在一定范围内调整钛合金制件的组织类型与组织参数,实现强度、塑性、韧性、疲劳和疲劳裂纹扩展速率等综合性能的最佳匹配。本文在对比钛合金材料的等轴组织、双态组织、网篮组织和片层组织四种典型显微组织特征以及控制技术基础上,以航空用TC21钛合金、TC4-DT钛合金、TC32钛合金以及TB17钛合金为例综述不同显微组织特征与拉伸性能、断裂韧度、疲劳裂纹扩展速率的影响关系,为钛合金选择合适的组织参数、实现最佳的综合性能匹配和稳定批量生产提供参考依据。

双态组织TC32钛合金的抗弹性能及损伤机制

实验采用底推式105 mm穿甲模拟弹,测试双态组织TC32钛合金靶板的抗弹性能,并采用光学显微镜和扫描电镜研究靶板的损伤机制。结果表明:双态组织TC32钛合金靶板的防护系数达1.91以上;在开坑阶段,TC32钛合金靶板主要是以崩落和发生绝热剪切的损伤机制产生破坏;在稳定侵彻阶段和侵彻后期,TC32钛合金靶板主要是以发生绝热剪切、裂纹、塑性变形的损伤机制产生破坏。双态组织类型的TC32钛合金具有优良的强韧性匹配,抗弹性能优异。

应变率对TB17钛合金亚稳β晶粒变形机制的影响

采用光学显微镜(OM),电子背散射衍射(EBSD)和透射电子显微镜(TEM)研究不同应变率(0.001,1,3×10^3 s^-1)加载对TB17钛合金亚稳β晶粒变形机制的影响。结果表明:亚稳β晶粒对应变率的敏感性较高,应变率为1 s^-1时合金的抗压强度较应变率为0.001 s^-1时提高约25%,在应变率为3×10^3 s^-1的动态加载下,合金抗压强度也有较大幅度的提升;在较低应变率(<1 s^-1)加载变形时,主要以滑移变形为主,并在滑移线周围形成小角度晶界;在较高应变率(3×10^3 s^-1)加载变形时,主要发生应力诱发马氏体相变。

热处理工艺对Ti-6Al-4V ELI合金厚截面锻件力学性能的影响

针对截面厚度达200mm的损伤容限型Ti-6Al-4VELI合金锻件,开展了β热处理工艺和准β热处理工艺试验,对比分析了热处理工艺对锻件强度、塑性、断裂韧度、疲劳裂纹扩展速率的影响。研究结果表明,随着第一重退火温度从Tβ+15℃升高到Tβ+30℃、Tβ+60℃,锻件塑性下降明显。经准β工艺热处理后,锻件的β晶粒尺寸较小,塑性明显优于β热处理工艺。强度、断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率对β热处理温度不敏感。为达到良好的强度-塑性-韧性的综合性能匹配,Ti-6Al-4VELI合金厚截面锻件宜采用较低热处理温度(如Tβ+15℃)的β热处理工艺或准β热处理工艺。

TB17钛合金两相区等温时效析出行为研究

采用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)和透射电子显微镜(TEM)研究了亚稳β钛合金TB17在α+β两相区固溶处理后的等温时效析出行为,并分析了次生α相的析出位置、尺寸、形态。结果表明:TB17钛合金在350℃等温时效时,发生β→ω相变,ω相呈椭圆状,尺寸在3~5 nm之间;在450℃和550℃等温时效过程中,主要发生β→α相变。α相首先在亚晶界和亚晶缺陷处形核并长大,最后形成细小的棒状α相,并且两相区固溶时所保留的大量亚晶界加快了时效过程中次生α相的析出响应。

TC32钛合金中高速弹丸冲击诱发绝热剪切带的组织演化行为

采用光学显微镜(OM),扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)研究了Ti-5Al-3Mo-3Cr-1Zr钛合金在高速弹丸冲击后的组织特征和演变行为。在弹坑周围,绝热剪切带(ASB)和剪切应力一直呈半圆状分布。观察到绝热剪切带中尺寸较大等轴晶粒和细长板条亚晶粒的旋转细化过程。采用聚焦离子束(FIB)技术准确地从ASB中的裂纹尖端取样制备TEM样品,在裂纹尖端区域周围发现非晶区、非晶-纳米晶过渡区、细小纳米晶区共存。计算结果表明,绝热剪切带内温度升高可导致微观组织熔化,快速淬火后形成非晶区和细小的纳米晶。由于绝热剪切带中的显微组织是细小的等轴晶和非晶,具有较高的强度,使形变带与基体之间成为相对较弱的区域,绝热剪切带中的裂纹也主要在该区域萌生,裂纹通过微孔洞旋转联结的方式扩展。