国内TC18钛合金本构关系研究进展

TC18钛合金具有高韧性,高强度,优良的塑性、淬透性等特点,在航空航天领域被广泛用做各种高承力构件,因此对其力学性能进行研究十分必要。本构关系是表征材料力学性能的最基本方法之一,为此,对TC18钛合金在准静态下的本构关系研究方法进行了综述,主要是通过热压缩实验(包括有限元仿真模拟)和应力松弛实验得到合金的力学性能数据并建立相应的准静态本构关系,并对各种研究方法的特点进行了比较分析。此外,参照具有相同结构类型的合金在动态下的本构关系研究方法,对TC18钛合金动态力学性能和本构关系研究的方向进行了展望。     

基于J-C模型的TC18钛合金动态本构方程构建

采用电子万能试验机对TC18钛合金进行常温准静态压缩实验,得到该合金在准静态下的实验数据,根据实验数据,选用分离式Hopkinson压杆对TC18钛合金在温度分别为298、523、773、1 023 K,应变率分别为500、1 000、1 500 s~(-1)下进行动态力学性能实验,从而获得TC18钛合金在高温动态压缩条件下的应力-应变曲线,并利用J-C模型对合金在高应变率下的动态塑性本构关系进行拟合,最终建立该合金在高温下的动态塑性本构方程。通过对模型的计算结果分析表明,该模型可以较好地预测TC18钛合金在高温与冲击载荷共同作用下的塑性流变应力。     

大规格TC18钛合金棒材组织与力学性能的研究

选取大规格TC18钛合金棒材,并对其进行热处理,随后使用光学显微镜、拉伸性能测试、冲击性能测试以及扫描电子显微镜,研究TC18钛合金棒材组织与力学性能的关系,结果表明：棒材的原始锻态金相组织由粗大β晶粒组成,有明显的晶界存在,在晶界附近有细小α相存在,在粗大β晶粒内部同样存在细小α相,经热处理后,组织中出现了由颗粒状形成的晶界α,棒材的横向与纵向力学性能较为接近,无明显各向异性。拉伸与冲击试样的断口微观形貌均以等轴状韧窝为主,韧窝尺寸较大且深度较深。     

TC18合金热压缩变形行为研究

本文利用热压缩法研究了TC18合金的热变形行为,并计算了合金在α+β两相区和β单相区变形激活能,得到了相应的流变应力本构方程。研究结果表明,TC18钛合金在α+β双相区变形时,在较低温度和较高应变速率条件下流变曲线呈现典型的单一峰值的再结晶,并且随变形温度的提高,出现多峰值的再结晶的特征;TC18钛合金在β单相区变形时,流变曲线出现了较长的平缓阶段,而后在较大应变时出现了标志再结晶的峰值应力;经计算得到TC18钛合金β单相区的变形激活能为260.84kJ/mol,α+β双相区的应变激活能336.356kJ/mol。经过拟合得到了TC18钛合金在α+β双相区和β单相区变形的流变应力本构方程。     

热处理对TC18钛合金丝显微组织与力学性能的影响

研究了热处理对TC18钛合金丝材显微组织与力学性能的影响。研究结果表明,对于多道次热拉2.0 mm丝材,随着退火温度由760℃升高至820℃,显微组织明显发生了再结晶和晶粒长大过程,并且α相含量显著减少,β相含量显著增多。随着温度的升高,抗拉强度呈明显下降趋势,由760℃时的1 110 MPa下降到820℃时的970MPa。在760℃退火时,保温时间由0.5 h延长到1.5 h,丝材的显微组织晶粒略有长大,力学性能略有降低。     

激光冲击对TC17钛合金微结构和力学性能的影响

利用激光冲击强化工艺（Laser Shock Processing,LSP）对TC17钛合金板材进行单次冲击强化。TC17钛合金经激光冲击后得到了表层晶粒显著细化的梯度显微组织,最表面细化晶粒尺寸达到亚微米级（389 nm）。透射电子显微镜（TEM）照片显示微观组织细化机制为位错墙细分原始粗晶为位错胞亚结构,并最终转变为亚微米级等轴晶粒。晶粒细化造成的晶界强化效应以及变形组织内部高密度位错引起的位错强化效应是激光冲击后TC17钛合金表层硬度提高的原因。     

高氧TC4钛合金β相区变形行为研究

采用Gleeble-3800热模拟压缩试验机研究了高氧TC4钛合金在温度为990～1 030℃、应变速率为0. 01～1. 0 s~(-1)、变形量为60%时的变形行为及微观组织特征,并构建了该合金的本构方程。结果表明,高氧TC4钛合金在β单相区变形时随着应变速率的增加和变形温度的降低,其流动应力显著增加,该合金在β相区的变形激活能为141 kJ/mol。在990～1 030℃加热温度下,原始β晶粒尺寸在250～255μm范围内,晶粒尺寸对温度不敏感。随着应变速率的增大,原始β晶粒沿着垂直于压缩轴方向被拉长,在被拉长的原始β晶界上可观察到β再结晶晶粒。     

热处理对TC10钛合金冲击性能的影响

对TC10钛合金用不同固溶温度进行热处理,测试其冲击性能,并观察组织变化和断口形貌,研究了固溶温度对TC10钛合金冲击性能的影响。结果表明,随着固溶温度的提高,初生α相逐渐减少,当温度达到950℃后初生α相全部转化为β相,从断口形貌看,试样由韧性断裂转变为脆性断裂,冲击性能随热处理温度的提高先升高再降低,中间出现一段稳定的最高值。     

分模方式对TC18钛合金模锻件组织及力学性能的影响

针对实际生产中TC18钛合金模锻件存在的成形难和组织、性能不稳定的问题,对锻件分模面位置和结构进行了调整,并进行实验验证。结果表明,采用顶部分模方式可以大大改善金属的流动性,减少锻造火次,提高生产效率,同时锻件组织较采用中间分模得到的更加均匀,强度和断裂韧性得到了提高,塑性也保持了较高的水平,具有良好的综合性能。     

冷热循环处理对TC18钛合金力学性能和尺寸稳定性的影响

利用冷热循环处理装置对TC18钛合金锻件进行了冷热循环处理工艺实验,并研究了冷热循环处理对该合金力学性能和尺寸稳定性的影响。结果表明,冷热循环处理对TC18钛合金的强度、塑性、断裂韧性及硬度等力学性能影响不大,但对尺寸稳定性具有显著影响;深冷处理温度过低对合金尺寸稳定性不利。从提高尺寸稳定性方面考虑,冷热循环处理工艺应以深冷温度-120℃、保温时间24 h、循环处理次数3次为宜,此时圆环开口尺寸变化率与未冷热循环处理相比降低了13.6%。     

TC21钛合金的全片层组织和冲击性能研究

利用光学显微镜、场发射扫描电镜和示波冲击试验机等研究了TC21钛合金在不同退火温度下的全片层组织演化规律和冲击韧性。结果表明:TC21钛合金经980℃固溶处理后,再经720、770、820℃退火处理,均能获得具有多层次特征的全片层组织。随着退火温度升高,TC21钛合金组织中α片层厚度、晶界α相厚度、α丛域尺寸都增大,而β晶粒尺寸基本保持不变。合金显微组织中小角度界面的比例随退火温度的升高而逐渐增加,冲击断裂过程中的裂纹形成功和扩展功也逐渐增大,且扩展功所占比例提高;断裂机制从穿晶断裂为主逐渐向沿晶界和丛域界断裂为主转变。     

两种典型热处理工艺对TC18钛合金组织性能的影响

采用两阶段退火和固溶强化两种典型的热处理制度,通过力学性能检测、显微组织分析和XRD物相分析,系统研究了整体热处理工艺对TC18钛合金大型锻件组织和性能的影响。结果表明：两阶段退火态的组织不仅满足强度和塑性匹配,而且断裂韧性墨。值可达75MPa·m^1/2;固溶强化热处理后的组织虽具有比前者更高的强度,但塑性损失较大,断裂韧性Kk值较低。     

退火制度对TC25钛合金棒材组织和力学性能的影响

研究了不同退火制度对TC25钛合金棒材显微组织和力学性能的影响。结果表明：TC25钛合金棒材组织随退火温度的升高逐渐由等轴组织转变为双态组织,经920~940℃/1 h AC＋550℃/6 h AC双重退火处理后获得等轴组织,经960~980℃/1 h AC＋550℃/6 h AC双重退火处理后获得双态组织。TC25钛合金棒材的较佳热处理温度为960~980℃/1 h AC＋550℃/6 h AC,经该制度处理后棒材的室温拉伸性能和高温（500℃）拉伸性能均优良。     

不同锻造工艺对TC4钛合金棒材显微组织与力学性能的影响

研究了α+β两相区锻造、近β锻造和β锻造3种不同锻造工艺对TC4钛合金棒材显微组织和力学性能的影响。结果表明,TC4钛合金经α+β锻造、近β锻造和β锻造3种工艺锻造后,分别获得等轴组织、混合组织以及片层组织;3种组织的强度相当,等轴组织和混合组织的塑性较好,混合组织和片层组织的冲击韧性较好。采用近β锻造方式,可使TC4钛合金棒材获得最佳的综合性能。     

时效温度对TC18钛合金组织性能的影响

TC18钛合金是一种高强度、高合金化的α+β两相区合金[1],通过对该合金棒材在同一热处理制度下进行固溶后,采用不同的温度进行时效处理,从而找出时效温度对该合金组织性能的影响规律。结果表明:随着时效温度的升高,显微组织中初生α相相应增加,强度按线性降低,塑性按线性升高,冲击韧性总体呈升高趋势,但在530℃至560℃时有突变。     

锻造工艺对大规格TC17钛合金棒材组织及性能的影响

通过两种工艺锻制了Ф350mm的大规格TC17钛合金棒材,比较了经两种工艺锻制的棒材的显微组织、力学性能及探伤杂波水平。研究结果表明,在单相区采用镦拔变形使变形量大于60％,并在两相区进行拔长,使变形苗大于65％,再经840℃×2h／AC＋800℃×4h／WC＋630℃×8h／AC热处理,可得到各项力学性能均符合GJB2218A-2008标准要求且探伤杂波水平可达（b3．2mm-9～-12dB的＋350mmTC17钛合金棒材。     

加工工艺对TC8钛合金组织和拉伸性能的影响

测试了TC8合金在不同轧制温度和热处理工艺下的室温及500℃下的拉伸性能,观察了合金的显微组织。结果表明,合金的拉伸性能主要与轧制的变形量和热处理的冷却速度有关,空冷可以获得较佳的强度与塑性的结合;变形量越大,所获的合金室温拉伸性能越高,而变形量在70％以上可以获得较好的高温（500℃）拉伸性能。