等溫鍛造Ti-22Al-25Nb合金的顯微組織演變與力學性能研究.pdf

1、隨著航空航天工業(yè)的不斷發(fā)展，采用高比強度的高溫結(jié)構(gòu)材料是現(xiàn)代航空航天技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。Ti2AlNb基合金具有低密度、高比強度、良好的抗氧化性及無磁性等優(yōu)勢，成為能在650-800℃使用的最具潛力的輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料。但是，由于該合金屬于三元體系，相轉(zhuǎn)變關(guān)系較為復雜，微觀組織和力學性能對熱機械加工比較敏感。因此，全面系統(tǒng)地認識Ti2AlNb基合金的微觀組織的演變規(guī)律，建立工藝-組織-性能之間的定量關(guān)系就顯得格外重要，這也是加速其在航空航

2、天領(lǐng)域應用迫切需要解決的問題。然而，先前的研究結(jié)果偏重于通過改變合金成分以及添加合金元素來調(diào)節(jié)合金的各項力學性能，對通過不同熱機械處理來調(diào)節(jié)合金組織和性能的研究報道較少。因此本文對Ti2AlNb基合金在不同相區(qū)進行等溫鍛造，隨后調(diào)節(jié)不同的熱處理制度，全面系統(tǒng)地研究了Ti2AlNb基合金的顯微組織演變規(guī)律，并對組織性能關(guān)系進行了深入的探討，其主要研究結(jié)果如下：
　　為了控制合金熱變形過程中B2晶粒的長大，制定合理的熱加工工藝，研究了

3、合金B(yǎng)2晶粒的長大行為。發(fā)現(xiàn)B2晶粒尺寸隨加熱溫度升高、加熱時間延長而增大，并建立了B2晶粒的長大動力學；晶粒長大的激活能隨著加熱時間的延長而增大，主要與B2晶粒尺寸不斷長大，單位體積內(nèi)的晶界面積和界面能減小，晶界遷移驅(qū)動力減小有關(guān)。此外，還探討了α2顆粒對B2晶界擴散的釘軋作用，基于Zener模型很好地解釋了等軸顆粒對B2晶界擴散的釘扎作用。
　　研究揭示了合金在不同相區(qū)等溫鍛造過程中顯微組織的演變規(guī)律。發(fā)現(xiàn)隨著等溫鍛造溫度的升

4、高，合金組織中B2晶粒尺寸增大，等軸顆粒數(shù)量下降。在O+B2兩相區(qū)鍛造，板條 O會發(fā)生動態(tài)球化，這是合金在低溫熱加工過程中軟化的主要原因，其球化機制主要為剪切斷裂機制；在α2+B2+O三相區(qū)鍛造，α2和B2相通過包析反應生成的rim-O能有效增加熱變形過程中等軸顆粒的變形性能力，提高熱加工性。
　　分析了熱處理對合金顯微組織演變規(guī)律的影響，并進行了定量分析，探討了合金組織演變的機制。總體來說，等軸顆粒主要由固溶處理來控制，固溶溫度

5、的升高有助于等軸顆粒數(shù)量的減少；而二次板條 O主要由時效工藝來控制，時效溫度的升高使得板條厚度增加。固溶溫度的變化會引起B(yǎng)2相中各個元素含量的顯著變化，隨著固溶溫度的升高，B2相中的Al元素含量逐漸增加，而Nb元素含量逐漸減少。
　　對α2+B2兩相區(qū)等溫鍛后合金進行熱處理，會形成一種雙尺寸板條組織，雙尺寸板條組織中的粗板條只能是在O+B2兩相區(qū)固溶得到，而細板條是在低溫時效時得到。雙尺寸板條組織中粗、細板條的體積分數(shù)、厚度可以由

6、固溶時效溫度來很好地控制。對B2單相區(qū)等溫鍛造后合金在α2+B2+O三相區(qū)固溶，板條組織會發(fā)生靜態(tài)球化，靜態(tài)球化分為與B2相嵌入有關(guān)的晶界分離和晶粒粗化兩個階段。
　　對熱處理組織中等軸顆粒的來源及其相變規(guī)律進行了探索研究，發(fā)現(xiàn)尺寸較大的等軸是鍛態(tài)組織中等軸顆粒保留下來的，而尺寸較小的等軸顆粒是加熱過程中板條組織靜態(tài)球化的結(jié)果。α2+B2兩相區(qū)等溫鍛造后的合金在O+B2兩相區(qū)固溶時，等軸α2顆粒將分解成貧Nb區(qū)和富Nb區(qū)，富Nb部

7、分形成O相板條。這些O相板條首先在α2顆粒邊緣逐層析出，其厚度主要和固溶和鍛造溫度有關(guān)，顆粒邊緣和內(nèi)部的O相的形核和粗化存在不均勻性，在O相板條粗化的同時，剩余的α2相逐漸溶解到B2基體中。
　　研究了Ti-22Al-25Nb合金的力學性能，詳細介紹了等溫鍛造溫度、固溶時效處理對合金拉伸性能的影響規(guī)律。隨著等溫鍛造溫度的升高，合金的強度和塑性呈現(xiàn)先增后降的趨勢，在B2單相區(qū)等溫鍛造時，析出的等軸和板條內(nèi)位錯密度低，B2基體起主要的