Ti-1023合金自β相区慢冷过程中的显微组织演变及力学性能

系统研究Ti-1023合金在以1℃/min的冷却速度从单相区冷却到两相区的过程中的显微组织演变和力学性能。随着最终冷却温度的降低,在β基体上依次析出晶界α’马氏体(α’_(GB))、晶界α相(α_(GB))、魏氏体晶界α相(α_(WGB))和魏氏体晶内α相(α_(WI))。相应地,Ti-1023合金的力学性能和变形机制也发生了显著变化。当最终冷却温度高于700℃时,拉伸曲线出现明显的双屈服现象,并且伸长率大于20%。而最终冷却温度低于700℃时,双屈服现象消失。这主要是由于随着α(α’)析出相的增加,Ti-1023合金的β稳定性增强,其室温变形机制逐渐从应力诱导的α"马氏体相变转变为位错滑移。此外,结合晶粒尺寸和析出相效应,分析Ti-1023合金的强化机制。

温度和应变速率对Ti-1023合金等温压缩行为的影响

在(α+β)两相区对Ti-1023合金进行等温压缩试验,实测高温流动应力曲线,讨论流动应力及显微组织随温度及应变速率的变化规律,实验结果表明,Ti-1023合金的流动应力对应变速率非常敏感;变形温度对流动应力的影响程度与应变速率大小有关,在ε=1.0s-1的较快速变形时,当温度由760℃提高到800℃时,流动应力值下降约40MPa,而在ε=1.6×10-4s-1的慢速变形时,流动应力值仅下降10MPa;显微组织观察结果表明,在相同温度下较快速变形时(ε=1.0s-1),所得显微组织比较细小、均匀,而慢速变形时(ε=1.6×10-4s-1),初生α相及组织比较粗大,亚β晶界也比较明显。因此,在保证锻件良好成形的前提下,Ti-1023合金在等温锻造时可采用适当大的应变速率。

Ti-1023钛合金细晶化和组织控制工艺研究

钛合金的结构特点决定了该类金属不能单纯通过热处理细化晶粒调整组织形态 ,因此适当的变形工艺成为组织控制的有效手段。Ti 10 2 3合金的性能与组织形态、晶粒度有密切关系。通过变形得到了两种典型的近 β合金组织 ,测试分析了两种组织对应的性能 ,讨论了两种工艺得到的组织的优缺点。结果表明 ,采用传统的变形工艺只能得到个别性能突出的传统组织类型 ,如网兰组织、双态组织、等轴组织等 ,同时原始β晶粒大小不均匀 ,容易造成材料性能不均匀。必须采用现代研究手段 ,控制变形温度、变形量、变形火次 ,得到综合上述 3种组织优点的某种过渡组织类型 ,保证Ti 10 2 3合金发挥高强、高韧的综合优势。

初生及次生α相对Ti-1023合金拉伸性能和断裂韧性的影响

Ti-1023合金中初生α相(α_p)的体积分数对材料性能影响较大:在固溶(ST)条件下,α_p相体积分数减少,材料强度降低;在固溶时效(STA)条件下,α_p相体积分数减少,材料强度和断裂韧度(K_(IC))呈升高趋势,但后者增加的趋势没有前者明显.α_p相对材料性能的影响与其体积分数的变化改变亚稳β晶粒内溶质原子浓度和亚稳β晶粒尺寸有关.时效过程中析出的次生α相(α_s)可明显影响材料的力学性能,随α_s的长大和数量的减少强化效应减弱,但K_(IC)和塑性明显提高.对Ti-1023合金,减少α_p相的体积分数、控制合适的α_s相数量和尺寸并尽可能减少连续晶界α相数量与尺寸,可以获得较高的强韧性匹配.

等温锻造过程中Ti-1023合金的本构关系

采用Thermecmaster-Z型热加工模拟实验机对Ti-1023合金进行了等温恒应变速率压缩试验,变形温度范围为:740～820℃;变形速率为:0.001～1s-1.在对试验数据进行系统分析的基础上,全面揭示了Ti-1023合金在等温锻造条件下的热态变形行为.分析了锻造热力参数对流动应力的影响,提出了以Zener-Hollomn参数表征的Ti-1023合金本构方程.并初步分析了Ti-1023合金等温锻造过程中显微组织演化规律.根据分析结果,Ti-1023合金等温锻造宜在略低于相变点温度下以相对高的变形速率进行.

热模锻工艺对Ti-1023合金显微组织和性能的影响

主要研究了热模锻时坯料变形温度、变形量对Ti-1023合金显微组织和拉伸性能的影响。研究结果表明:变形量不同,热模锻坯料变形温度对合金拉伸强度影响不同。在经过30%变形后合金的抗拉强度随着变形温度的升高而增加,断面收缩率随变形温度升高先增加后下降,延伸率没有明显变化;而经过50%变形后,除了合金的抗拉强度随着温度升高而略有下降外,其余性能与合金经过30%变形后的变化趋势相同。在两相区(Tb-30℃)变形时合金的拉伸性能随着变形量的增加先降低后增加,断裂韧性则相反;在b区(Tb+30℃)变形时合金的抗拉强度随着变形量的增加先增加后降低,屈服强度没有明显变化,而塑性则随着变形量的增加而增加。

热机械工艺对Ti-1023合金组织和力学性能的影响

系统研究了热机械工艺对Ti-1023合金组织与性能的影响,获得了较好的热机械工艺。结果表明:对Ti-1023合金进行双重时效(300℃/8h+500℃/16h)处理,低温时效过程中析出的过渡ω相为高温时效过程中次生α相的析出提供均匀的形核点,从而获得弥散分布的次生α相;对该合金进行热轧变形,获得细小的β晶粒组织,同时变形过程中产生的缺陷为随后时效过程中的相变提供形核位置,使析出的次生α相更加弥散、细小;因此变形和双重时效共同作用可以使合金在显著提高强度的同时保证塑性的提高。Ti-1023合金经845℃,45%的热轧变形并双重时效(300℃/8h+500℃/16h)处理后具有理想的显微组织特征。

Ti-1023钛合金棒材组织和性能的研究

制备了Ti-1023合金不同规格的棒材,对比分析了其低倍、高倍组织和室温拉伸力学性能。结果表明:准100mm和准350 mm棒材低倍组织呈模糊晶,而准150 mm棒材呈半模糊晶且组织均匀性较差;前两者的横截面高倍显微组织的初生α相为细小的球形,准150 mm棒材横截面的边缘区域α相等轴化良好,靠近中心区域的短棒状α相越多,说明准150 mm棒材锻压力不足和锻造道次变形量过小而导致坯料的锻透性较差。不同规格棒材及棒材不同位置的室温拉伸力学性能测试结果表明:随着显微组织的等轴初生α相增多和尺寸减小,室温强度提高;随着棒材的规格增大其强度略有降低。

Ti-1023合金铸锭铁偏析控制

在工业化生产条件下,分析并阐述了Ti-1023合金铁组元偏析的特点及其影响因素,探索了铁偏析规律,提出了控制铁偏析的措施。

VAR过程中Ti-1023合金凝固组织和偏析行为的研究

采用SEM、XRD及化学成分分析等方法,分析了真空自耗电弧熔炼(VAR)过程中Ti-1023铸锭的凝固组织及相组成,研究了搅拌磁场对铸锭宏微观偏析行为的影响。结果表明,等轴晶区主要为针状和片层状的α相结构,而柱状晶区中等轴颗粒状的α相结构较多;在铸锭柱状晶和等轴晶内,Fe含量沿晶粒生长方向逐渐增加,且等轴晶内Fe的偏析程度要大于柱状晶内的;施加搅拌磁场后,Fe在柱状晶和等轴晶内的偏析程度都有所减小,同时Fe在Ti-1023铸锭中的宏观偏析程度降低,这对该合金中β斑的形成具有重要的影响。

Ti-1023钛合金大规格棒材的研究

利用自主技术熔炼了吨级钛合金铸锭,铸锭的化学成分符合技术要求、组织呈均匀的等轴晶。铸锭采用"高低高低"工艺路线进行了多火次锻造,最后锻成准360 mm的棒材。结果表明:高、低倍组织以及室温力学性能都符合技术要求。

表面加工状态对Ti-1023钛合金疲劳性能的影响

通过热处理得到3种强度级别的Ti-1023合金材料。拉伸和疲劳试验结果表明，在时效温度为510--660℃的范围内，Ti-1023合金的轴向拉压疲劳极限随屈服强度的提高而提高。拉伸断口分析表明，高强度Ti-1023的断裂模式为沿晶断裂，在较低强度Ti-1023断裂模式以韧性断裂为主的韧性和沿晶断裂的混合断裂模式。疲劳断口分析则表明，在较低载荷时，时效温度对断口疲劳区域的影响较小。

等通道转角挤压(ECAP)工艺对Ti-1023合金显微硬度的影响

Ti-1023合金经ECAP工艺加工后其显微硬度随挤压温度的升高先升高再降低,在780℃时出现最大值,这与显微组织中的初生α相、次生α相及β相含量和结构有关。在相变温度以下挤压(空冷)的试样退火后显微硬度比退火前的有所降低;在相变温度以上挤压(水冷)的试样退火后显微硬度比退火前有明显升高,这是因为在退火过程中,试样经挤压后水冷时得到的介稳β相和马氏体组织发生分解,从而使其显微组织中析出了细小的片状α相。挤压后经标准热处理可以显著提高材料的显微硬度,标准热处理对在相变温度以上挤压的试样强化效果更好。

Ti-1023钛合金的低周疲劳行为

研究了室温Ti-1023钛合金由应变控制的低周疲劳行为。对循环应力-应变数据和应变-疲劳寿命数据进行了分析，通过双对数线性回归处理，得出了Coffin-Mason处理模型的疲劳参数。结果表明：合金总应变幅在0．6％-0．8％时，循环初期表现出轻微的循环硬化，然后循环稳定；总应变幅超过0．8％时则表现为循环软化。表明合金的循环应力响应行为取决于外加总应变幅。

Ti-1023钛合金的疲劳裂纹扩展行为

研究了Ti-1023合金轮盘轮缘的疲劳裂纹扩展规律,分析了取样方向和应力比对疲劳裂纹扩展速率的影响。结果表明,在相同的应力场强度因子范围下,随应力比的增大,裂纹扩展速率也随之增大;而取样方向对疲劳裂纹扩展速率的影响不大;验证了全范围疲劳扩展公式,为进一步寿命估算提供了依据。

Ti-1023合金的研究现状

Ti-1023合金是一种为适应损伤容限性设计原则而生产的高结构效益、高可靠性和低制造成本的锻造钛合金。本文主要介绍了Ti-1023合金组织性能、工艺性能及应用现状。

Ti-1023合金VAR熔炼数值模拟研究

Ti-1023合金因其优异的性能广泛应用于大型承力结构件,然而因其添加Fe元素含量较高,容易在真空自耗熔炼(VAR)制备铸锭的过程中出现Fe偏析,影响锻件的性能。利用多场耦合重熔工艺仿真优化软件(Melt Flow-VAR)建立的模型研究了Ti-1023合金在VAR不同阶段下的熔池形状和元素浓度分布,并以模拟工艺制备了Ti-1023合金Φ640 mm大规格铸锭进行验证。结果表明:随着熔炼的进行,模拟的熔池形状按初期的扁平状→中期的V形→末期的深V形变化,熔炼后期的熔池深度为0.28 m,与实测结果基本一致。在铸锭中心线顶部和底部Fe和Al元素成分的模拟结果与实测值吻合良好,但在铸锭中间部分的模拟值与实测值存在较大偏差,分析认为是Melt Flow-VAR计算模型中没有考虑等轴晶的沉降所导致的计算偏差所致。

应变速率对Ti1023合金室温拉伸性能的影响

研究了在室温拉伸试验过程中,不同应变速率对Ti1023钛合金力学性能的影响。结果表明,抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率受应变速率变化的影响较小。屈服强度对应变速率比较敏感,随着应变速率增加,屈服强度不断提高,本试验条件下的屈服强度变化范围超过15%。并根据不同应变速率下的屈服强度,得到了应变速率和屈服强度的关系。根据应力-应变曲线以及拉伸前后试样的显微组织变化,发现Ti1023合金拉伸过程伴随应力诱发马氏体相变。

硼对Ti-1023合金组织与性能的影响

采用真空自耗电弧炉熔炼添加硼元素的Ti-1023合金铸锭，对其进行一定的变形得到锻造棒材。利用金相显微镜、电子探针、万能材料试验机等设备对其进行宏观、微观组织及性能分析，研究硼元素对铸态与锻态Ti-1023合金组织与性能的影响。研究发现，硼元素作为一种高效的细化剂，能显著细化Ti一-1023合金的铸态组织。硼化物倾向于以链状析出，对合金进行充分变形，能使硼化物充分破碎。微量的硼可以显著提高钛合金的强度，当硼含量在0．1％～0．2％（质量分数）时，Ti-1023合金的抗拉强度与屈服强度变化不大，但是塑性下降明显。为了得到良好的强度一塑性匹配，最佳硼添加量不应大于0．1％。

Ti-1023钛合金热塑性变形行为及加工图

利用Gleeble3800热模拟试验机,在温度1123-1423 K和应变速率0.01-10 s-1的变形条件下对Ti-1023钛合金进行了等温压缩试验,并绘制了其流变应力曲线。基于热压缩数据,建立了该合金的Arrhenius双曲正弦型本构方程。根据动态材料模型理论,建立了合金在不同真应变下的热加工图。结果表明该合金的失稳区主要集中在高应变速率的区域内。最终通过Prasad判据确定了Ti-1023合金热变形时的失稳区和安全区。