冷却速率对TB17钛合金显微组织和力学性能的影响

研究了不同冷却速率对TB17钛合金固溶态和固溶时效态的相组成、显微组织、拉伸性能和断裂韧度的影响。结果表明:TB17钛合金以不同的冷却速率进行固溶处理后,其显微组织均由残余β相以及其上分布的尺寸不一的片层状α相组成,仅发生了β→α相变,未发生β→ω相变和β→α″等相变;随着冷却速率的降低(由水冷到炉冷),其拉伸强度呈现逐渐增加的趋势,而拉伸塑性则先降低后升高。经固溶时效处理后,TB17钛合金的显微组织均由粗片状初生α相、残余β相以及其上弥散分布的细片层状α相组成;由于固溶冷却速率不同,使得在时效过程中析出的细片层状α相的大小和形态各不相同。随着冷却速率的降低,TB17钛合金的拉伸强度呈现逐渐减小的趋势,而拉伸塑性则呈现逐渐升高的趋势,同时断裂韧度亦呈现逐渐增大的趋势,尤其是炉冷的固溶时效态合金,其断裂韧度达到了148.06 MPa·m^(1/2)。

TB17钛合金等温时效析出行为

采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、光学显微镜(OM)等对新型超高强韧TB17钛合金次生α相转变动力学进行研究。实验结果表明,该合金经β相区固溶,520℃不同保温时间时效后,片层次生α相在β相基体上析出、形核、长大,并且与基体具有柏氏共格关系。短时时效后次生α相呈针状,随着保温时间延长,次生α相粗化呈短棒状。析出相含量对TB17钛合金强化具有重要影响,TB17钛合金在完全析出过程中,次生α相含量增加,时效硬化作用增加。TB17钛合金次生α相等温相变动力学采用JMAK方程进行描述。

TB17钛合金热压缩流变应力分析及本构方程

使用Gleeble-3500热模拟试验机在变形温度为800~1000℃、应变速率0.001~10 s^（-1）以及真应变为1.2的条件下对TB17钛合金进行热变形行为研究。根据热压缩数据,分析真应力-真应变曲线,计算TB17钛合金变形激活能,并建立了TB17钛合金应力-应变本构模型,对金相组织进行分析,并进行了本构模型的验证。结果表明,TB17钛合金在热压缩变形过程中,出现动态回复和动态再结晶现象,在低应变速率0.001和0.01 s^（-1）下,以动态再结晶为主要软化机制,在高应变速率1和10 s^（-1）下主要以动态回复为软化机制;流变应力随应变速率的下降和变形温度的升高而降低;峰值应力计算值和实验值的平均误差为6.5%,表明该模型有很高的精确度。研究为TB17钛合金塑性加工过程的模拟和控制提供了参考。

TB17钛合金高温压缩变形行为

通过Gleeble3800热模拟试验机对TB17钛合金在变形温度860~980℃、应变速率为0.001~1s–1、最大变形量为70%下高温变形行为进行研究。通过材料参数与真应变之间的关系,利用Arrhenious本构方程关系式和Z参数建立流变应力和变形温度、应变速率和真应变三者之间的本构关系,并对组织进行分析。结果表明:TB17钛合金在应变速率为0.001~0.01s–1、变形温度为890~980℃下更容易发生连续动态再结晶,而在应变速率为0.1~1s–1下主要发生不连续动态再结晶;误差分析结果显示计算值与实测值平均相对误差为6%,说明建立的本构关系模型具有较高的准确度。

TB17钛合金β相区动态再结晶行为及转变机理

通过Gleeble-3800热压缩模拟试验机对TB17钛合金β相区进行热压缩实验,研究该合金β相区的动态再结晶行为及转变机理。结果表明:TB17钛合金在β相区变形时会发生动态回复(DRV)与动态再结晶(DRX)。不同应变速率下存在两种动态再结晶形核位置,低应变速率下主要在晶粒内部形核,高应变速率下主要在晶界附近形核。通过EBSD和TEM分析可知,在低应变速率下发生连续动态再结晶(CDRX),其发生的主要形式为亚晶合并转动。高应变速率下发生不连续动态再结晶(DDRX),发生的主要形式为晶界剪切伴随着亚晶转动。尽管两种动态再结晶的转变方式不同,其本质都是通过位错的增殖、滑移和胞状结构演化形成新的动态再结晶晶粒。

TB17钛合金β相区晶粒长大行为

以新型超高强韧TB17钛合金棒材为研究对象，研究了TB17钛合金β相区晶粒的长大行为。考察了TB17钛合金在不同温度和保温时间的条件下，β晶粒尺寸的变化，通过Beck公式计算了晶粒长大参数，采Arrhenius公式计算了晶粒长大激活能。结果表明，加热温度及保温时间对TB17钛合金β晶粒长大行为具有重要影响。在860～1045℃进行等温加热，TB17钛合金β晶粒等温长大曲线近似符合指数关系，β晶粒长大指数n在0．12～0．23之间。短时保温，β晶粒长大过程中动力学影响因素占主导作用，延长保温时间，动力学影响因素作用降低。TB17钛合金β晶粒长大激活能为48．26kJ／mol。

低温时效及冷/温变形工艺对TB17钛合金组织的影响

研究了不同冷/温变形条件下TB17钛合金的组织演变规律与相变行为,以及低温时效对其组织的影响。结果表明:变形顺序对TB17钛合金的相变行为有着较大的影响,先温变形再冷变形时合金发生了明显的形变诱导α相析出及马氏体相变,形变诱导α相析出发生在塑性变形阶段,而先冷变形再温变形时合金仅有形变诱导马氏体相变。在无低温时效的条件下,经初次冷变形产生的形变诱导马氏体在二次温变形时起到协调变形的作用,当350℃×0.5 h低温时效加入到两次变形之间,原本由初次冷变形产生的马氏体逐渐分解,且低温时效过程中并未发生其它明显的相变,但它促进了二次温变形时α相的析出。

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。

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。

冷锻变形量对TB17钛合金显微组织和拉伸性能的影响

对TB17钛合金试样进行了冷锻,利用EBSD、TEM以及拉伸试验研究了变形量工艺参数对合金微观组织与力学性能的影响。结果表明:钛合金棒材经过固溶后基体中生成了具有大尺寸晶粒的组织。合金冷锻变形后XRD衍射峰位置依然出现在和原先相同的位置,只是在合金变形后出现了衍射峰宽化。变形量60%时,基体中出现了位错塞积的现象,在合金明显变形的组织中生成了剪切带结构。随着试样变形量的增大,合金抗拉强度增大。

显微组织对TB17钛合金高周疲劳性能的影响

对比研究了TB17钛合金3种典型组织形态(双态组织、网篮组织和片层组织)对其高周疲劳性能的影响,并分析了高周疲劳断口形貌。结果表明:双态组织特征的TB17钛合金具有最高的强塑性匹配水平,但其疲劳寿命与应力呈双线性关系,疲劳性能并不稳定;网篮组织的强塑性稍差,但具有最高的疲劳强度和疲劳比;片层组织的疲劳强度比网篮组织略低,但其疲劳比和拉伸塑性最差。高周疲劳加载应力处于低应力状态时,疲劳裂纹倾向于试样内部、单源萌生,而处于高应力状态时,疲劳裂纹倾向于试样表面、多源萌生。网篮组织存在更多的二次裂纹,且疲劳条带更为清晰密集,裂纹扩展路径更曲折,在扩展时消耗的能量更多。

显微组织类型对TB17钛合金力学性能的影响

研究了TB17钛合金不同显微组织特征在固溶态和固溶时效态时,对其相组成、室温拉伸性能和断裂韧度的影响。结果表明,TB17钛合金经不同固溶热处理并冷却到室温后,不同显微组织特征的相组成相差不大,主要由残余β相和α相组成,无β→ω相变和β→α″等非平衡相变发生;从β单相区固溶冷却后,显微组织为单一β相组织;固溶处理状态下,随着α相含量由单一β相的0提高到网篮组织的8.06%,其拉伸强度逐渐提高,而拉伸塑性下降明显。经固溶时效处理后,具有不同显微组织特征的TB17钛合金均析出了弥散分布的细片层状时效α相,其中双态组织最薄,网篮组织最厚,拉伸强度的提高是细片层状α相的厚度和等温时效后析出的细片层状α相体积分数共同作用的结果,且拉伸强度提高的幅度与析出的细片层状α相体积分数成正相关关系;片层状α相厚度与其断裂韧度成正相关关系,且固溶处理后存在的粗片层状α相的影响更大。

亚β固溶对TB17钛合金初生α相、元素重分布及时效析出的影响

对TB17钛合金进行了亚β固溶处理(固溶温度800~835℃,固溶时间0.5~9 h),采用电子探针分析了Al、Mo、Nb元素在初生α相和β基体中的分布,研究了亚β固溶对合金初生α相析出、元素重分布规律及时效次生α相的影响。结果表明,合金在亚β温度固溶时晶内析出以针状初生α相为主,晶界析出以片层状初生α相为主。初生α相析出量随亚β固溶温度升高而降低,固溶温度高于825℃时基本不析出α相。初生α相尺寸随固溶时间延长而增大,固溶温度815℃时固溶时间超过2 h后,初生α相析出量达到稳态。Al元素倾向于在初生α相中富集,Mo和Nb元素则倾向于β基体富集。初生α相中心部位Al元素浓度较高,边缘部位较低,而Mo和Nb元素中心部位则浓度较低,边缘部位较高。增加初生α相析出量,会使β基体Al浓度降低,Mo、Nb元素浓度升高。初生α相较少(2%)时初生α相周围的次生α相以针状或片层状形貌为主,远离初生α相区域的次生α相以似网篮结构为主,初生α相较多(10%)时次生α相均以片层状形貌为主。

新型超高强钛合金TB17铣削加工表面完整性试验研究

采用硬质合金刀具对TB17钛合金进行铣削加工试验,研究了刀具前角、后角和螺旋角对钛合金加工表面完整性的影响。结果表明:在试验参数范围内,TB17钛合金铣削加工表面均呈现为残余压应力;前角增大,表面粗糙度和表面显微硬度增加,表面残余压应力先减小后增加;表面粗糙度和表面残余压应力均随着后角的增大而减小;螺旋角增大,表面粗糙度和表面残余压应力均呈现出先减小后增加的趋势;TB17钛合金铣削加工表面形貌由均匀间隔突起的棱脊与深浅不一的沟槽组成,刀具几何参数和刀具磨损状态会对加工表面形貌产生显著的影响。

TB17钛合金在等温时效过程中的相析出行为

采用X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和硬度测试分析了新型超高强韧钛合金TB17在等温时效过程中析出相的演变及时效响应。结果表明:该合金在350℃时主要发生β→β+ω相变,ω相为细小的颗粒。在450℃下进行时效处理时,α相通过ω相辅助形核的方式形核长大。在550和650℃时主要发生β→β+α相变,α相为片层状。在该温度范围内长时间进行时效处理的TB17合金存在2种类型α相,满足Burgers关系的1α相和不满足Burgers关系的2α相。其中2α相为孪晶α相,在1α相内部{1012}孪晶面形核,并不断消耗1α相而长大。TB17钛合金的时效特征与其他β型钛合金相似。TB17钛合金的时效响应快,显微硬度随着时效温度升高呈现出先增加后降低的趋势,在450℃时效处理下硬度达到最大。

基于BP神经网络的TB17钛合金热变形行为研究

利用Gleeble-3500热模拟试验机,在变形温度为800～1 000℃,应变速率为0.001～10s-1条件下对TB17钛合金进行等温恒应变速率压缩试验,获得不同参数下合金的流动应力数据。通过金相组织观察,研究了热变形过程中的合金组织的变化规律。建立了具有BP算法的人工神经网络,利用所建立的BP网络模型对TB17钛合金的流动应力进行预测,发现预测值与试验值符合较好,验证了该BP网络本构关系模型的准确性。

固溶冷却速率对全片层亚稳β钛合金α相形貌的影响

采用Gleeble热模拟压缩试验机、显微硬度计、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等研究固溶冷却速率对TB17钛合金力学性能和条状α形貌的影响。结果表明:具有网篮组织的TB17钛合金经两相区固溶后,当固溶冷却速率为200℃/min时,合金显微硬度为250HV,随着固溶冷却速率的降低,钛合金显微硬度逐渐增加,当固溶冷却速率降低到1℃/min(炉冷)时,显微硬度增加到320HV。在连续冷却过程中会发生β→α相变,在β基体上析出次生α相,同时条状α相会转变为“叉状”结构;随着固溶冷却速率的降低,“叉状”结构逐渐变粗长大,当固溶冷却速率为40℃/min时,“叉状”结构的宽度约为14 nm,当固溶冷却速率为10℃/min时,“叉状”结构的宽度约为100 nm,当固溶冷却速率为1℃/min(炉冷)时,“叉状”结构的宽度约为300 nm;而当固溶冷却速率大于10℃/min时,条状α相侧面和端面包裹着斜方马氏体α″相,马氏体相的存在促进了α相转变和“叉状”结构的形成。当固溶冷却速率逐渐降低至1℃/min左右相当于炉冷速率时,“叉状”结构变粗,条状α相端面和侧面的斜方马氏体相消失,发生α″→α相变。

新型超高强韧钛合金热变形行为研究

采用Gleeble3800热压缩模拟试验机研究了新型超高强韧TB17钛合金775～905℃温度范围内、应变速率0.001～10 s^(-1)条件下的热变形行为。分析了该合金在热变形过程中流变应力软化特点及显微组织演变规律,建立了该合金Arrhenius型本构方程。结果表明:采用不同变形温度,TB17钛合金峰值应力对应变速率敏感程度不同,在相变温度以下变形时,峰值应力对低应变速率敏感;而在相变温度以上变形,峰值应力对高应变速率敏感。应变速率对TB17钛合金显微组织具有重要影响,合金应变速率大于0.1 s^(-1)时,以发生动态回复为主,而应变速率为0.001～0.1 s^(-1)时以发生动态再结晶为主;降低应变速率有利于动态再结晶发生,合金在应变速率0.001 s^(-1)时可获得粒度约25μm的β晶粒。变形温度对动态再结晶具有重要影响,在相变温度以下变形仅发生初生α相再结晶,而在相变温度以上变形则发生β相动态再结晶。TB17钛合金在相变点温度以下的热变形激活能为538.4 kJ/mol,在相变点温度以上的热变形激活能为397.4 kJ/mol,该合金在775～905℃热变形软化机制为晶界滑移机制。