原位自生(TiB+TiC)增強TB20鈦基復(fù)合材料熱變形及組織性能研究.pdf

1、作為一種潛在的航空航天關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，β鈦合金以其高比強度和良好的強度-韌性匹配等優(yōu)點，成為目前鈦合金的一個研究熱點。此外β鈦合金還可以通過時效強化處理進(jìn)一步改善其性能，以上這些特性使β鈦合金成為一種極具有潛力的可以應(yīng)用在高載荷下的合金，可以廣泛的應(yīng)用在航空、汽車以及軍工等方面，關(guān)于β鈦合金的研究吸引了國內(nèi)外眾多研究者的興趣。β鈦合金的成形主要包括熱加工和隨后的熱處理，目前其最終熱加工工藝都是在α+β相區(qū)進(jìn)行。當(dāng)合金在β轉(zhuǎn)變溫度以下固溶處

2、理時，會出現(xiàn)等軸初生α相的析出，而α相的體積分?jǐn)?shù)可以通過熱處理溫度控制，同時α相的形狀受合金熱變形量的影響，大變形量的熱加工將導(dǎo)致球狀初生α相的生成。β鈦合金的性能與顯微組織密切相關(guān)，晶粒尺寸、α相晶界、初生α相和次生α相的形貌等都可以明顯影響著β鈦合金的力學(xué)性能。本論文所研究的高強β鈦合金（Ti-3.5Al-5Mo-4V-2Cr-2Sn-2Zr-1Fe）與TiB20合金具有相似的名義成分。通過TiC和TiB強硬析出相對鈦合金基體進(jìn)行強

3、化可以顯著提高其機械性能。在所有可能的強化相中，TiB由于其較高的彈性模量，與鈦合金基體相似的密度以及與鈦合金基體良好的界面結(jié)合能力使其成為最有潛力的鈦合金強化相。
　　本論文主要研究固溶及時效熱處理對β鈦合金顯微組織和拉伸性能的影響，同時研究合金中原位自生的TiC和TiB對合金顯微組織和拉伸性能的影響，最后對所研究的Ti-B20和(TiC+TiB)/Ti-B20合金進(jìn)行直接軋制，并對其顯微組織特征和機械性能展開研究。
　　

4、通過非自耗電弧熔煉得到β高強鈦合金Ti-3.5Al-5Mo-4V-2Cr-2Sn-2Zr-1Fe并對其進(jìn)行高溫鍛造處理。對β高強鈦合金Ti-3.5Al-5Mo-4V-2Cr-2Sn-2Zr-1Fe顯微組織和拉伸性能展開研究，結(jié)果表明固溶處理過程中析出的初生α相能影響β晶粒的生長。β晶界處的初生α相通過釘扎作用限制β相的動態(tài)再結(jié)晶和長大過程，從而形成細(xì)小的β晶粒。隨著時效時間的延長晶界出現(xiàn)粗化，對合金的強度和塑性產(chǎn)生顯著影響。β單相區(qū)固溶

5、處理導(dǎo)致初生α相體積分?jǐn)?shù)顯著降低，此時合金的強度高于β轉(zhuǎn)變溫度以上固溶處理的合金，而在α/β雙相區(qū)處理的合金則具有較好的塑性。780℃固溶+500℃時效處理時合金的屈服強度為1400MPa，延伸率為14％。而在600℃進(jìn)行時效處理時，合金的屈服強度為1200MPa，延伸率為21%。結(jié)果表明，提高時效溫度可以有效提高合金的塑性，因此后一種熱處理制度可獲得優(yōu)異的拉伸塑性。
　　采用真空非自耗電弧熔煉工藝制備TiB和TiC復(fù)合增強的β鈦

6、合金Ti-3.5Al-5Mo-4V-2Cr-2Sn-2Zr-1Fe，隨后進(jìn)行高溫鍛造處理。通過圖像分析處理軟件對鑄錠掃描照片晶粒尺寸進(jìn)行測量，其平均晶粒尺寸為750±100μm，TiB和TiC復(fù)合增強的β鈦合金中平均晶粒尺寸為150±20μm。結(jié)果表明鑄錠中原位自生的TiB晶須和TiC顆粒均偏聚于β相晶界處，經(jīng)過高溫鍛造后趨于TiB和TiC增強相的分布趨于均勻。860℃固溶處理0.5小時后，TiB和TiC復(fù)合增強的β鈦合金中β晶粒尺寸為

7、55±7.6μm，而相同熱處理條件下的β鈦合金中的β晶粒尺寸為99.3±6.9μm。可以看出在β相區(qū)固溶處理后，TiB和TiC復(fù)合增強的β鈦合金β晶粒尺寸明顯要小于β鈦合金中的β晶粒尺寸。通過TiB和TiC復(fù)合增強和時效處理后，β晶粒尺寸和次生α相板條寬度得到顯著細(xì)化。780oC固溶+500oC時效處理時合金的斷裂強度和屈服強度分別1625MPa和1500MPa，延伸率為7%。(TiB+TiC)/(Ti-3.5Al-5Mo-4V-2Cr

8、-2Sn-2Zr-1Fe)合金的延伸率可以通過提高時效溫度獲得提高。780℃固溶+570℃時效處理時合金獲得良好的強度與塑性匹配，基體合金的斷裂強度和延伸率分別為1350MPa和18%，而復(fù)合材料的斷裂強度和延伸率則分別為1500MPa和13%。
　　目前大多數(shù)β鈦合金的彈性模量為30~90GPa，低于α鈦合金和α+β鈦合金。如果彈性模量可以通過合金設(shè)計手段得到控制，那么鈦合金的應(yīng)用前景將更加廣泛。彌散分布的硼化物或碳化物被認(rèn)為可

9、以提高鈦合金的彈性模量，但是合金的塑性將會急劇下降?；w中均勻分布的增強相可將合金的彈性模量提高25Gpa左右。通過改變固溶和時效處理制度，軋態(tài)β鈦合金可獲得優(yōu)異的機械性能，但是合金的顯微組織和機械性能對變形和隨后的熱處理非常敏感。
　　熱軋工藝對碳-硼微觀組織和性能的影響會改變β鈦合金的微觀組織和性能。Ti–3.5Al–5Mo–4V–2Cr–2Sn–2Zr-1Fe作為一種高強β鈦合金具有優(yōu)異的拉伸性能。論文的最后一章研究了熱軋和

10、熱處理對基體合金和復(fù)合材料顯微組織和拉伸性能的影響。結(jié)果表明，在所有熱處理制度下α+β相區(qū)軋制時β晶粒尺寸較β單相區(qū)軋制更為細(xì)小。α+β相區(qū)固溶處理時合金中β晶粒尺寸同樣比β單相區(qū)固溶處理時細(xì)小。拉伸結(jié)果表明時效熱處理可以有效提高合金的強度。在α+β相區(qū)軋制和固溶處理可獲得更好的強度和塑性，因此為了獲得更好的強度和塑性在時效處理前采用長時的α+β相區(qū)固溶處理。少量的TiB和TiC添加提高復(fù)合材料的斷裂強度，但是塑性顯著降低。但是考慮到增