TC11-Ti-Al-Nb接合界面組織演化規(guī)律及穩(wěn)定機(jī)理研究.pdf

1、為了解決常規(guī)單一合金制造的高性能發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)盤難以滿足大溫度梯度和應(yīng)力梯度的工作環(huán)境問題，采用高溫性能優(yōu)異的金屬間化合物與中低溫性能優(yōu)異的鈦合金焊接制成雙合金盤來替代高溫合金壓氣機(jī)盤，能夠有效減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，提高推重比。而異種鈦合金連接件和基體合金在化學(xué)成分及使用溫度下的性能都有區(qū)別，探索其變形工藝提高接頭組織性能穩(wěn)定性顯得至關(guān)重要；由于高壓壓氣機(jī)盤的服役環(huán)境惡劣，長時(shí)間與高溫高壓氣體接觸，雙合金盤件的接合界面組織變化對性能的影響

2、是一個(gè)亟需解決的難題?；诖吮疚囊訲C11/Ti-Al-Nb雙合金熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，優(yōu)化變形參數(shù)；同時(shí)結(jié)合等溫鍛造實(shí)驗(yàn)和熱穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)，分析了熱力作用對連接界面組織的影響規(guī)律，確定了不同顯微組織對力學(xué)性能的影響規(guī)律及拉伸斷裂機(jī)理；建立了析出相的組織參數(shù)與拉伸性能之間的定量關(guān)系。主要的研究內(nèi)容及成果如下：
　　TC11/Ti-22Al-25Nb雙合金高溫變形時(shí)的流動(dòng)應(yīng)力對變形溫度和應(yīng)變速率敏感。隨著變形溫度的升高和應(yīng)變速率的減小，流

3、動(dòng)應(yīng)力降低；在高溫大應(yīng)變速率下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)不連續(xù)屈服的特征；基于Arrhenius型雙曲正弦方程建立的雙合金高溫變形本構(gòu)方程能很好的描述雙合金的流變行為。
　　基于動(dòng)態(tài)材料模型及Prasad失穩(wěn)準(zhǔn)則構(gòu)建了TC11/Ti-22Al-25Nb雙合金的熱加工圖。優(yōu)化了雙合金的熱加工參數(shù)，獲得了雙合金熱加工過程中的安全區(qū)域：900-1060℃，0.001-0.6s-1；而當(dāng)應(yīng)變速率大于0.6s-1，會出現(xiàn)絕熱剪切、焊縫和基體結(jié)合處

4、開裂以及局部塑性流動(dòng)的失穩(wěn)變形機(jī)制；隨著變形程度的增加，變形塑性失穩(wěn)區(qū)域由低溫高應(yīng)變速率、高溫高應(yīng)變速率向低應(yīng)變速率和中間變形溫度區(qū)域擴(kuò)展。
　　研究了合金成分對 TC11/Ti-Al-Nb雙合金連接件界面組織及性能的影響規(guī)律，隨著Nb元素含量的增加，熱處理后焊縫熔合區(qū)析出的α2相含量減少；性能對比可以發(fā)現(xiàn)，TC11/Ti-22Al-27Nb連接件的拉伸性能較好。焊縫區(qū)域組織的演變引起了顯微硬度的變化，TC11合金側(cè)熱影響區(qū)馬氏體

5、α'的分解會造成顯微硬度的降低，而焊縫熔合區(qū)域以及Ti-22Al-27Nb合金側(cè)熱影響區(qū)二次相的析出會造成顯微硬度的增加。焊縫區(qū)域彈性模量的分布呈現(xiàn)出“U”型，焊縫熔合區(qū)域的數(shù)值較低，等溫鍛造及熱處理都能夠提高焊縫區(qū)域的彈性模量。
　　TC11/Ti-22Al-25Nb雙合金接頭的組織和性能受熱加工歷史的影響。焊態(tài)下，焊縫熔合區(qū)由β相組成；940℃變形及熱處理后晶界由斷續(xù)的α/α2相組成，晶粒內(nèi)部分布著等軸α2相以及細(xì)小的O相；而

6、變形溫度升高至980℃和1020℃，等軸α2相消失，β基體中只剩下細(xì)小的O相；通過室溫拉伸性能可以發(fā)現(xiàn)，等溫鍛造變形使得焊縫熔合區(qū)的抗拉強(qiáng)度得到提高；隨著變形程度的增加，焊縫熔合區(qū)組織中析出的O相厚度增加，導(dǎo)致了連接件的拉伸強(qiáng)度降低；而應(yīng)變速率升高，組織中析出的O相片層增多，彌散強(qiáng)化作用增強(qiáng)，拉伸強(qiáng)度升高；300℃和500℃高溫拉伸過程中，連接件斷裂位置轉(zhuǎn)移至TC11合金母材側(cè)。
　　獲得了 TC11/Ti-22Al-25Nb雙合

7、金連接件在熱暴露條件下的組織穩(wěn)定條件。500℃熱暴露時(shí)TC11合金基體組織中的細(xì)片狀α相較穩(wěn)定，熱暴露溫度升至600℃和700℃，細(xì)片狀α相厚度隨著熱暴露時(shí)間的增加逐漸變厚，同時(shí)組織中還析出了脆性α2相和硅化物；Ti-22Al-25Nb合金在700℃以下熱暴露時(shí)組織較穩(wěn)定，當(dāng)熱暴露溫度達(dá)到700℃時(shí)，組織中的B2相發(fā)生分解，生成O相和無序結(jié)構(gòu)的β相；隨著暴露溫度升高和暴露時(shí)間的延長，焊縫組織中O相片層厚度逐漸增加，在700℃熱暴露下，O

8、相片層厚度增加迅速。隨著熱暴露時(shí)間增加，室溫拉伸強(qiáng)度及塑性都呈下降的趨勢；500℃熱暴露下，拉伸斷裂在接頭處，600℃和700℃熱暴露下，斷裂位置轉(zhuǎn)移至 TC11合金側(cè)。界面兩側(cè)元素的濃度差隨熱暴露溫度的升高而逐漸變緩。
　　雙合金接頭區(qū)域組織形態(tài)的改變是造成接頭力學(xué)性能變化的內(nèi)在原因。等溫鍛造+熱處理使得雙合金連接接頭性能強(qiáng)化的主要機(jī)制是析出的二次相的強(qiáng)化作用，但由于第二相大小及分布的不均勻性，造成了塑性的降低；細(xì)片狀α相及粗大

9、的晶界α2相都會造成接頭拉伸塑性的降低；熱暴露過程中，片狀α相和O相發(fā)生粗化，都造成了拉伸塑性的降低；隨著熱暴露溫度的升高，α2相沿晶界析出并發(fā)生長大，增加了晶界的脆性，同時(shí)O相粗化嚴(yán)重，二者共同的作用使得焊縫的沖擊韌性降低。
　　計(jì)算O相和α相在熱穩(wěn)定時(shí)的生長動(dòng)力學(xué)參數(shù)可知，O相和α相的生長指數(shù)隨著溫度的提高而增加；而隨著保溫時(shí)間的延長，O相和α相的長大激活能變化較小。構(gòu)造了O相、α相片層厚度和拉伸性能的定量關(guān)系式，屈服強(qiáng)度、延