准β锻造钛合金的组织与性能研究

提出了锻造钛合金一种新的工艺--准β锻造.通过TC6钛合金模锻件的研制,分析比较了准β锻造工艺和常规α+β锻造工艺的组织与性能关系,该工艺为高强韧、长寿命、损伤容限设计的飞机结构件的应用提供了实践基础.     

准β锻造工艺对TC18钛合金组织与性能的影响

研究了准β锻造工艺对TC18钛合金显微组织和性能的影响。结果表明:在α+β两相区较小变形时,其显微组织和仅在β单相区变形时组织形貌相近,为典型的网篮组织;在α+β两相区较大变形时,晶界破碎程度增大,片状α相向等轴状α相转变;随两相区变形量由0~50%变化时,其抗拉强度先升高再降低,在变形量为20%~30%时抗拉强度较高,塑性则呈小幅上升趋势。TC18钛合金跨相区锻造时,为获得编织均匀的网篮组织,且又保证原始β晶界充分破碎,从而获得较优的强度、塑性和冲击韧性的匹配,在β单相区即Tβ+20℃温度下的热加工变形中变形量应大于35%,而在α+β两相区即Tβ-30℃温度下的热加工变形中变形量应控制在30%以内。     

损伤容限型钛合金的等温锻造温度研究

研究了TC21钛合金在5.5×10-4s-1恒应变速率、40%变形程度条件下,等温锻造温度变化对锻件组织和性能的影响。结果表明:TC21钛合金显微组织对温度变化敏感,在两相区锻造时,显微组织由初生α相和β转变组织组成,并且随着变形温度的提高,初生等轴α相的含量逐渐减少,晶粒尺寸增大;在相变点温度锻造时得到网篮组织;在相变点以上温度锻造时得到片状组织。室温拉伸强度和断裂韧性随锻造温度的升高呈现增加趋势,室温拉伸塑性明显降低。在965℃等温锻造时,显微组织为较细的片状组织,强度、塑性和断裂韧性达到较佳匹配,获得较好的综合力学性能。965℃为较佳等温锻造温度。     

等温锻造火次对损伤容限型钛合金组织和性能的影响

为探索等温锻造火次对TC21钛合金组织和性能的影响,以恒应变速率分别进行不同火次的锻造试验。结果表明:锻造火次对TC21钛合金的组织有较大影响,随锻造火次的增加,晶界破断程度下降,次生α相长度增加,沿变形方向成羽毛状排列趋势增大。锻件强度随火次增加略有变化,塑性则有较明显的降低趋势。     

准β锻造和β热处理对TC11组织和断裂韧性的影响

研究了准β锻造和β热处理对TC11钛合金显微组织和断裂韧性的影响。结果表明TC11钛合金经准β锻造及β热处理后断裂韧性相较于魏氏组织明显提升,延伸率提升约50%,断面收缩率提升约20%,KIC提升约20%。由于准β锻造改变了层片状α相的析出形态,形成了取向差异化明显的束集,抵抗裂纹扩展的组织协调性更佳,从而使得断裂韧性更优;而魏氏组织试样主要以晶界和大片次生α相增加裂纹扩展曲折性。     

TC21钛合金β锻造大块α相研究

采用光学显微镜,电子探针能谱仪以及显微硬度测定等方法研究了TC21钛合金β锻造大块α相的组织特征,形成机理以及锻造加热温度和保温时间对它的影响。结果表明,合金中大块α相不仅在形态上与正常α条不同,而且在成分上也有一定的差异。组织中的大块α相数量和形成位置与加热温度和保温时间有关,随着加热温度的升高,晶界附近的大块α相数量减少,原始β晶粒内的大块α相数量增多;随着保温时间的延长,晶界上的大块α相数量增多,晶内的大块α相数量变化不大。     

损伤容限型TC4-DT钛合金性能

研究了热处理制度对损伤容限型TC4-DT钛合金组织和性能的影响,对比分析了不同热处理制度与力学性能之间的内在关系,深入研究不同冷却速率对TC4-DT合金断裂韧性的影响。结果表明：不同热处理制度可以调节显微组织的参数,包括初生α含量、β晶粒尺寸以及片层α的尺寸等,从而对合金性能产生影响,从理论上分析了影响合金性能的关键因素,并通过断口分析了裂纹扩展方式     

钛合金β锻造组织不均匀性研究

利用光学显微镜、电子探针技术以及显微硬度测定等方法研究了TC1 1钛合金经 β锻造后的不均匀组织的本质、形成机理、危害性及产生的原因。并探索消除不均匀组织的途径。     

固溶时效对TC21钛合金准β锻后组织性能的影响

对TC21钛合金进行准β锻造,再进行固溶时效热处理实验,研究了不同固溶时效热处理制度对合金的微观组织和力学性能的影响。结果表明,TC21钛合金通过准β锻造后,再经固溶时效热处理工艺处理后,合金的微观组织呈现典型的网篮组织。随着固溶温度的上升,片状α相含量和长度显著降低,同时合金强度增加,而塑性变化呈相反趋势。随着时效温度的上升,对片状α相的影响略小,但次生α相的厚度此时显著增加,此时合金强度降低,塑性提高。断口形貌则随着固溶温度的升高,断口表面和裂纹扩展路径愈发平坦。断裂韧性值呈现下降趋势,但会随着时效温度的升高而提高。合金最大断裂韧性值可达66MPa·m1/2。考虑合金的强度、塑性和断裂韧性之间的良好匹配,经综合分析可得,TC21钛合金准β锻后最佳热处理制度为:870 ℃/2 h,AC+590 ℃/4 h,AC。     

钛合金铸锭的锻造工艺

为了获得具有超细晶粒组织的大尺寸钛合金半成品,通常要求在(α+β)区足够低的温度下进行变形,为此要求坯料具有细晶、再结晶组织。用锻造钛合金锻锭来获得再结晶β组织的现行工艺是基于在(α+β)区采用中间变形,其目的是在随后的β区加热中加速再结晶。     

TC17钛合金β锻造工艺对显微组织的影响

本文通过Φ100×150mm圆柱镦粗试验研究了TC17钛合金β锻造工艺对微观组织形貌的影响。结果表明：变形量和下压速率对显微组织有显著的影响。当变形速率较低时,晶界α相容易被破碎,变形量越大,被破碎越严重,越容易被球化。当变形速率较高时,β晶粒容易发生动态再结晶,变形量越大,再结晶体积分数越高。采用Image Pro Plus对球化率和再结晶体积分数进行了统计。结果表明晶界α相的球化条件对变形量和下压速率均较为苛刻,仅在变形量为80%,变形速率为0.1mm/s时发生了大量晶界α相球化。此外,相比变形量,β再结晶数量对变形速率更加敏感。     

TA33钛合金舵机支架锻造成形工艺

采用DEFROM有限元数值模拟软件与试验相结合的方法对TA33钛合金舵机支架锻造成形的过程进行研究。研究结果表明:通过分析不同的锻造毛坯(圆棒料;圆棒料镦粗至280 mm,后拍扁至140 mm;340 mm×250 mm×95 mm的方形毛坯)、始锻温度(989~1019℃)以及锻造锤数(1~3锤)的有限元数值模型,得到最优的锻造参数为:锻造毛坯选用340 mm×250 mm×95 mm方形毛坯,始锻温度为999℃,锻造锤数为2锤。最后通过工艺试验的结果可以看出,实际锻造生产与DEFROM有限元数值模拟结果吻合良好,通过最优锻造工艺参数生产的锻件的显微组织、力学性能数据、疲劳性能数据均能满足预期要求,且有一定的富余量。     

锻造温度对TC31钛合金组织及性能的影响

针对TC31钛合金高筋薄腹板锻件,在α+β相区进行不同温度下的锻造试验,获得了不同锻造温度下的TC31钛合金强度和显微组织形貌,结果表明:TC31钛合金在Tβ-50℃到Tβ-20℃温度区加热锻造得到的显微组织均为α+β双态组织,拉伸性能满足技术条件要求,其中在Tβ-35℃拉伸性能最优.     

准β热处理工艺对TC4-DT钛合金组织和性能的影响

通过改变单相区保温时间,研究了5种准β热处理工艺对TC4-DT钛合金组织和力学性能的影响。结果表明：保温40 min及以下时,为网篮组织,而保温50 min及以上时,组织呈现魏氏组织特征,随保温时间延长,晶粒尺寸增大,片状α相更细更长;合金强度和断裂韧性随保温时间的延长呈递增趋势,而塑性逐渐变差。TC4-DT钛合金在单相区保温50 min时,具有较好的强度、塑性以及断裂韧性匹配,强度可达865 MPa,断面收缩率可达31%,而断裂韧性能够达到99 MPa·m~（1/2）。     

β锻造工艺对TC17钛合金显微组织的影响

通过对Φ100 mm×150 mm TC17钛合金棒材进行镦粗试验,研究了β锻造工艺对其微观组织形貌的影响。结果表明:变形量和变形速率对TC17钛合金显微组织有显著的影响。当变形速率为0.1 mm/s时,晶界α相容易被破碎,变形量越大,破碎越严重,且越容易球化,80%变形量时α相的球化率达到80%。当变形速率为2 mm/s时,β晶粒容易发生动态再结晶,变形量越大,再结晶体积分数越高,80%变形量时β相的再结晶体积分数为50%。晶界α相发生球化对变形量和变形速率均较为苛刻,仅在变形量为80%、变形速率为0.1 mm/s时大量晶界α相发生了球化。此外,相比变形量,β再结晶数量对变形速率更加敏感。     

时效温度对一种新型β钛合金组织演变及力学性能的影响

采用d-电子合金设计法设计了一种β钛合金,Ti-6Mo-5V-3Al-2Fe(wt.%)。在450℃~600℃范围内选取了多个时效温度进行时效处理,以研究时效温度对该合金组织演变及力学性能的影响。结果表明,当时效温度为500℃时,在ω辅助形核机制作用下,形成了尺寸和相间距更小的次生α相,在此细小的次生α相对β基体的强化作用下合金抗拉强度达到最大值,为1510MPa;同时,由于晶界α相的析出以及晶界无析出区的形成,导致合金的塑性极差,伸长率仅为4.6%。随着时效温度的升高,晶内细小的次生α相粗化。粗大的次生α相导致其相间距增大,并使可有效阻碍位错运动的α/β相界面减小。时效温度的升高使合金强度降低,但合金塑性提高。当时效温度升高至600℃,在β晶界处形成了向晶内平行生长的板条状次生α相,同时β晶粒内次生α相间距增大,使合金塑性明显提高,伸长率可达12.2%。     

(α+β)两相钛合金显微组织的定量分析和表征

基于体视学方法,结合计算机图形处理,建立一套钛合金显微组织定量测量和表征的方法.对钛合金中片层和等轴两类典型组织进行定量表征,其参数包括:片层α的厚度、体积分数、形态、取向,初生α相尺寸、体积分数,总α相体积分数.分析实例表明,建立的钛合金显微组织定量表征方法精度高、重现性好,为后续建立显微组织-力学性能预测模型奠定了基础.