热处理工艺对TC21钛合金室温和高温力学性能的影响

通过设计不同的热处理工艺制备了不同α相片层分布的TC21钛合金,并通过时效控制二次α相的析出,结合室温和高温力学性能测试及分析结果,研究热处理对TC21钛合金室温和高温力学性能的影响。结果表明,TC21钛合金在980℃固溶后分别进行770、810和850℃退火处理,室温强度随着退火温度升高而降低,塑性随退火温度升高而增加;对退火后试样在550℃时效4 h,室温强度随着退火温度升高而升高,塑性随退火温度升高而降低;随着拉伸试验温度的升高,不同工艺热处理TC21钛合金的塑性提高,500℃时强度的保持率在65%以上,且850℃高温退火+550℃时效处理TC21钛合金在500℃以下使用时强度较高。     

典型钛合金静态性能动态性能和抗弹性能关系的研究

对TA15、Ti-6432、TC21、Ti-15Mo四种具有典型特征的合金进行了静态拉伸、冲击、动态压缩和抗弹性能的测试,并分析了靶弹侵彻后合金的组织。结果表明,四种不同类别合金对应的冲击吸收功和和合金静态拉伸性能没有直接的关系。对于静态拉伸和动态压缩性能,高的抗拉强度对应较高的动态压缩流变应力,高的延伸率对应高的均匀塑性应变,这种对应关系只是一种趋势的反映,具体值没有对应的比例关系。对于动态压缩和抗弹性能,四种合金动态压缩性能排序为TC21＞ TA15＞Ti-15Mo＞Ti-6432,抗弹性能排序为TC21＞TA15＞Ti-6432＞Ti-15Mo。但从具体数值看,TC21、TA15和Ti-6432动态压缩性能差距明显,而弹孔穿深差别并不明显,可以认为抗弹性能处于同一水平。Ti-15Mo合金弹孔穿深明显大于其它合金,说明用动态压缩性能不能完全反应材料具体抗弹性能。以上结果主要与不同合金显微组织类型和损伤过程中不同的形变损伤机制相关。     

不同热处理后TC21钛合金的显微组织及力学性能

研究了损伤容限型TC21钛合金在不同热处理过程中的组织演化及显微组织对力学性能的影响。结果表明,锻后空冷并经（900℃,1h,AC）＋（590℃,4h,AC）热处理,能获得较佳的综合性能。单相区变形,β晶粒呈盘状：单相区退火,β晶粒呈等轴状。单相区变形或退火后的冷却速率及两相高温区退火决定粗大α片的含量及形貌;经过时效或第三次退火后,细小的次生α片从残留卢基体中析出。合金的抗拉强度和屈服强度随着粗大α片含量的增加而降低。低的有效滑移长度和高的裂纹扩展阻力能提高合金的室温塑性。交叉分布的粗大α片厚度的增加,有助于提高合金的断裂韧性。     

氧化处理对TC21钛合金氧化色及力学性能的影响

研究不同温度氧化处理对TC21钛合金氧化色的影响,并对氧化处理后试样的力学性能及微观组织进行分析和讨论。结果表明:经氧化处理后,TC21钛合金表面呈现出明显的颜色变化,且随氧化温度的升高,合金表面颜色逐渐加深,同时合金力学性能均呈下降趋势。合金表面氧化色与其力学性能有一定的对应关系:经600℃氧化处理后,合金表面呈现出宝蓝色,力学性能满足使用要求;超过600℃后,合金表面颜色逐渐加深,力学性能均不能满足使用要求。     

β晶粒尺寸对TC21钛合金锻件力学性能的影响研究

通过在T_β+30℃设计不同保温时间,制造了β晶粒尺寸不同的锻件。经过显微组织、拉伸性能和断裂韧性测试,揭示了β晶粒尺寸对TC21钛合金锻件力学性能的影响机制。锻件的β晶粒尺寸越细,锻件的强度越高,这服从经典的Hall-Petch关系。锻件的β晶粒尺寸长大可以提高断裂韧性,这是由于大的β晶粒中的α集束的尺寸越大且数量越多,可以有效增加对裂纹扩展的阻力。还建立了不同保温时间下β晶粒尺寸的生长模型。     

TC21钛合金准β锻变形量对力学性能的影响

分析了TC21钛合金准β锻工艺中不同变形量与力学性能之间的关系,通过自主设计的一套具有不同变形量的阶梯式腹板锻模,结合DEFORM-3D模拟了不同位置的应变场等,随后针对不同位置的力学性能进行分析,结果表明：随着变形量的增大,TC21钛合金横、纵向抗拉、屈服强度都呈现先增大再减小趋势,在应变量区间15%～21%时最小;随着变形量的增加,纵向伸长率无明显变化规律,横向伸长率呈现逐渐增加的趋势,横向和纵向的伸长率都在10.5%以上;除了在变形量区间15%～21%之外,其它变形量区间纵向收缩率都要大于对应区间的横向收缩率,纵向和横向收缩率全部都大于13%;纵向冲击吸收能量随着变形量增加,先增加后减小,在变形量区间为21%～32%之间时,纵向冲击吸收能量达到最大值56.9 J/cm²;断裂韧性随变形量的增加而降低。     

合金元素对TC4钛合金动态力学性能的影响

利用分离式Hopkinson压杆装置,在应变率=2000,3000,4000s-1加载条件下,对4种TC4钛合金的等轴组织试样进行了动态压缩试验,得到了不同状态下的动态真应力-应变(σ-ε)曲线。结果表明:随着Al、V含量的增加,TC4钛合金等轴组织试样的平均动态流变应力、均匀动态塑性应变和冲击吸收功都有所增加,动态力学性能有所提高;随着间隙元素含量的增加,TC4钛合金等轴组织试样的平均动态流变应力和冲击吸收功有所提高,而均匀动态塑性应变有所降低。     

TC21钛合金β锻动态再结晶行为及晶粒尺寸预测

采用Gleeble-3500热模拟实验机对TC21钛合金进行等温恒应变速率的热模拟压缩实验,研究其在变形温度960℃~1020℃,应变速率0.001s-1、0.01s-1、0.1s-1、1s-1条件下的动态再结晶行为。结果表明,TC21钛合金在变形过程中存在动态回复、动态再结晶现象。当温度一定时,在应变速率≤0.1s-1情况下,随着应变速率的降低,动态再结晶晶粒尺寸变大;在应变速率为1s-1时,变形过程几乎只发生动态回复;当应变速率一定时,随着温度的升高,动态再结晶晶粒尺寸变大。根据流动应力与变形温度和应变速率之间的关系,得到了TC21钛合金动态再结晶激活能Q=258.6kJ/mol;通过对热模拟实验数据的分析计算,建立了动态再结晶演化模型。依据所建模型,并基于DEFORM-3D软件预测了975℃热变形后的晶粒尺寸和动态再结晶体积分数,晶粒尺寸相对误差在±10%以内,较好的验证了模型的准确性。     

TC21钛合金热变形行为

采用Gleeble-3500热模拟试验机对TC21钛合金进行了高温热压缩变形试验.试验变形温度为890～990℃,应变速率为0.01～10 s-1.通过分析不同热变形条件下获得的应力-应变曲线和微观组织,探究合金在高温变形中的微观组织演变规律.结果表明:TC21钛合金对变形温度和变形速率极其敏感,流变应力随着应变速率的...     

大厚度TC21钛合金电子束焊接试验

对56mm厚TC21钛合金进行了电子束对接试验,对接头显微组织和力学性能进行了研究.结果表明,接头焊缝区组织形态以柱状β晶粒为基体,针状的马氏体弥散其中;热影响区从焊缝到母材分为三个区域,依次为等轴再结晶β晶粒区、片状和针状а相形成的魏氏组织区以及片状α相聚集长大的区域;熔合区内柱状晶与等轴晶联生.接头强度达到母材水平,断裂发生在母材内,接头厚度方向性能一致.接头塑性损失较大,只达到母材的50%左右.接头焊缝区硬度最高,其次是热影响区的等轴晶区和魏氏组织区,而热影响区内片状α相聚集长大的区域硬度值最低.

Abstract：

Electron beam welding of TC21 56 mm titanium alloy was carried out. The microstructure and the mechanical properties of welded joints were analyzed and tested. The results showed that the weld zone consisted of the columnar β gains, and in which the transgranular acicular α' martensite were dispersedly distributed. HAZ can be divided into three parts from base metal to weld zone, which are the equiaxed recrystallized β grain zone, Widmanstaten structure zone formed by lamellar and aeicular α phases and lamellar a phase coarsening zone. Fusion zone consists of the adnate columnar and equiaxed grains. Tensile strength of joints reaches to that of base metal and the failure appears in the base metal. The mechanical properties are uniform along the vertical direction. Plasticity in the welded joint is greatly decreased and only up to 50% of that of the base metal. The microhardness in weld zone is the highest, and that of the equiaxed grain zone and Widmanstaten structure zone in HAZ is higher, and the microhardness in columnar a phase coarsening zone is the lowest.     

铸造态钛合金力学性能及抗弹性能研究

以铸造态钛合金β20C、TC4、TA15和TA18为研究对象,开展了以钛合金为面板、A3钢为背板的复合装甲抗弹性能试验、基于分离式Hopkinson Bar技术的动态压缩试验和室温条件下的准静态压缩和准静态拉伸试验。并对铸造态钛合金β20C、TC4、TA15和TA18抗弹性能的影响因素进行了对比与分析。结果发现:铸造态钛合金β20C的A3钢背板具有最小残余穿深值4.7 mm,分别比铸造态钛合金TC4、TA15和TA18低22%、37%和23%,且β20C的质量防护系数也相应有最大值2.61,表明β20C具有最佳抗弹性能;铸造态钛合金β20C的动态压缩强度、准静态抗压强度、准静态拉伸屈服强度和准静态抗拉强度值分别达1578、1474、1052和1101 MPa,各强度值在4种钛合金中均是最高的,表明动态强度及准静态强度对铸造态钛合金的抗弹性能的影响是决定性的;4种铸造态钛合金的冲击吸收功、动态塑性、临界断裂应变和断后伸长率则与抗弹性能呈现出一定的波动关系,表明冲击吸收功、动态塑性和准静态塑性对抗弹性能的影响是非决定性的;铸造态钛合金β20C靶板正面出现了尺寸为10 mm×12 mm的开坑现象,在4种铸造态钛合金中是最明显的,同时没有发现明显的剪切冲塞破环现象。     

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。     

退火工艺对激光立体成形TC21钛合金组织和性能的影响

利用BLT-C1000型激光立体成形设备制备了TC21钛合金块体,并对其分别进行了单级和双级退火处理,研究了单级和双级退火工艺对合金显微组织和力学性能的影响。结果表明,激光立体成形TC21钛合金的沉积态组织主要为网篮状组织。单级退火温度影响初生α相板条尺寸,低于550 ℃退火时,初生α相板条长度和宽度变化较小,高于650 ℃退火时初生α相板条长度明显增加,宽度略微降低。屈服强度和抗拉强度随退火温度升高而降低,断后伸长率和断面收缩率随退火温度升高而增大。双级退火时随第一级退火温度升高,初生α相含量降低,随着第二级退火温度的升高,次生α相尺寸增加。综合考虑,双级退火时宜选择870~900 ℃的第一级退火温度和560 ℃的第二级退火温度。     

热处理对锻态TC21钛合金组织及性能的影响

设计12种固溶+时效处理工艺,对不同固溶温度(880~920 ℃)与时效温度(500~650 ℃)锻态TC21钛合金的显微组织与力学性能进行研究。结果表明,随着固溶温度的升高,初生α相的含量降低、尺寸变小,钛合金的塑性也随之变差;在同一固溶温度下,时效温度变化影响次生α相的含量及尺寸,随时效温度的升高,次生α相的弥散程度增大,钛合金的屈服强度呈先增后降的趋势,当时效温度过高,达到650 ℃时,次生α相会变粗大。只进行920 ℃×2 h固溶处理的试样R_p0.2=1107.0 MPa,R_m=1238.5 MPa,后续时效处理的加入使屈服强度与抗拉强度大幅提升,通过920 ℃×2 h固溶+590 ℃×4 h时效处理可使锻态TC21钛合金获得优良的综合力学性能,R_p0.2=1237.7 MPa,R_m=1322.0 MPa。     

TC21钛合金拉伸和冲击韧性的内在控制机理研究

TC21合金具备较高的强度和断裂韧性,然而其拉伸和冲击韧性的内在控制机理差异还不明确。本实验通过调控固溶温度和冷却速率制备出不同显微组织,研究其拉伸和冲击性能。结果表明,拉伸和冲击韧性表现出不同的变化规律,塑性较好的双态组织的冲击韧性比塑性最差的全片层组织的冲击韧性低,说明拉伸性能和冲击韧性的内在控制机理有所不同,时效后的性能（时效后塑性无明显变化但冲击韧性显著下降）进一步证实了这一点。拉伸变形时,试样在发生颈缩前整个区域均发生塑性变形,双态组织中α_p和β_t之间发生的协调变形得以充分发挥,而全片层组织集束尺寸较大且其内部片层α取向一致,位错滑移长度较大,易发生塑性应变局域化,造成其强塑性匹配差于双态组织。冲击时,高应变速率作用下裂纹在缺口根部快速萌生和扩展,塑性变形集中在裂纹尖端附近小范围内,造成双态组织中α_p和β_t之间的协调变形不能充分发挥,而全片层组织的集束尺寸较大,导致集束界面对塑性变形的影响较小,此时片层α和β成为控制塑性变形的有效单元,粗片层α和β具有较好的塑性变形能力,造成其获得较高的萌生功,和拉伸表现出较差的塑性相悖,此外,大角度α集束界面造成裂纹偏转而形成曲折的路径,最终造成其冲击韧性高于双态组织。为获得拉伸性能和冲击韧性的良好匹配,可通过热处理调制出由含量较少的α_p和内部形成粗大片层α和β的β_t所构成的双态组织。