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。     

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。     

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。     

多尺度层状组织结构TC21钛合金及其对力学性能的影响研究

本文选用典型的高强韧TC21钛合金,利用基于伪调幅分解机制的“Step quenching”热处理工艺调控和优化多尺度层状组织结构及其力学性能。利用 SEM、TEM 等研究多尺度层状组织结构的微观组织形貌、断口表面形貌、横截面裂纹扩展形貌等特征。结果表明等温淬火温度对α相析出行为和合金力学性能有强烈影响。将试样在930℃ 固溶1h,分别在0℃-600℃ 温度范围等温保温2小时后水冷到室温,次生α相的宽度逐渐增加,硬度先增加后稍有降低,在400℃保温的硬度达到最高值;将试样从880℃-960℃固溶1h,并在400℃等温保温2h后水冷至室温,分别获得粗片层组织、多尺度层状组织和细片层组织,合金的硬度和强度随固溶温度升高依次增加。然而,多尺度片层组织表现出优异的抗裂纹扩展能力,其断裂韧度高达104MPa?m1/2,显著高于粗片层组织（67MPa?m1/2）和细片层组织（33MPa?m1/2）,机制分析结果表明这归因于滑移难以穿过相界面、曲折的裂纹扩展路径和裂纹偏转等特性。     

双重退火工艺对TC21钛合金力学性能和断口形貌的影响

利用光学金相、扫描电镜以及拉伸、冲击、断裂韧性试验等手段研究了不同双重退火工艺对TC21钛合金显微组织和力学性能的影响。结果表明:第一次退火温度一定时,随着第二次退火温度的上升,试样中块状α相更易于形成;第二次退火温度一定时,随着第一次退火温度的上升,试样中形成大块α相的概率变小;TC21钛合金的断面收缩率对不同双重退火工艺最为敏感;900 ℃×2 h+500 ℃×4 h双重退火工艺下制备的试样具有弯折的粗大条状α相及最大的冲击吸收能量;950 ℃×2 h+590 ℃×4 h双重退火工艺下制备的试样能在裂纹扩展中吸收最多的能量,具有最高的断裂韧性。     

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.     

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。     

钛合金装甲材料动态压缩力学性能及其抗弹能力关系

采用分离式Hopkinson Bar技术针对不同热处理制度的TC6、ATI425以及TC3钛合金Φ5 mm×5 mm圆柱形标样进行了动态压缩实验,测定得到了试样在3000 s~(-1)高应变率条件下的动态强度、动态塑性及冲击吸收功;同时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,分析了钛合金动态力学性能与其抗弹性能之间的关系。结果表明:钛合金面板的抗弹性能与其动态强度和动态塑性均密切相关;钛合金的动态强度对材料抗弹性能的影响比动态塑性更加显著,其抗弹性能主要取决于动态强度;同时,表征钛合金动态力学性能优劣的冲击吸收功不能直接反映钛合金的抗弹能力;较大区域的正面开坑和较小的剪切充塞可以明显提高钛合金面板的抗弹性能。     

锻造温度对TC11钛合金组织和性能的影响

通过OM和SEM研究了锻造温度对TC11钛合金的组织和性能的影响规律.结果表明,随着锻造温度的增加,TC11钛合金中α形态从等轴状过渡到短条状,其抗拉强度和屈服强度随锻造温度的增加而上升,断面收缩率和伸长率逐渐下降;而断裂韧性随锻造温度的增加而提高.     

TC18钛合金氧化色与力学性能关系研究

通过对TC18钛合金在100~1000 ℃温度范围内的氧化试验以及力学性能测试试验,研究了其氧化色变化规律,并探讨了氧化色与力学性能的关系。结果表明：经氧化处理后,TC18钛合金表面形成多种不同氧化色,且随氧化温度升高,合金表面颜色逐渐加深,合金力学性能均明显下降。合金表面氧化色与其力学性能存在一定的对应关系：当氧化色为浅绿色即加热温度为650 ℃时,材料力学性能已不满足TC18钛合金标准力学性能。     

铸态TC21钛合金高温热变形行为及加工图

研究了铸态TC21钛合金在温度1000~1150℃,应变速率0.01~10s-1条件下的高温压缩变形行为,基于动态材料模型建立了热加工图,并结合变形微观组织观察确定了该合金在实验条件下的高温变形机制及加工工艺。结果表明:TC21合金在β相区进行热压缩,主要变形机理为动态回复;Ⅰ区(高应变速率,ε≥1s-1),材料落入流动失稳区域,其微观变形机制为局部塑性流动,在制定热加工工艺时应尽量避免;Ⅱ区(1050~1120℃,0.1~1s-1),β晶粒变扁、拉长,晶界平直,为典型的动态回复,功率耗散率为32%~34%;最优加工区,Ⅲ区(低应变速率0.01~0.1s-1),功率耗散为38%~46%,拉长的β晶粒晶界上出现连续再结晶现象,首火次开坯应在高温(1150℃)附近进行,以提高铸态组织的塑性,随后开坯应在中低温进行,以得到细小均匀的β晶粒。     

含缺口TC21钛合金腐蚀疲劳性能分析

研究了TC21钛合金缺口试样在两种腐蚀环境（油箱积水、3.5%NaCl水溶液）与室温空气环境下的疲劳性能与断裂机理。并与光滑试样在室温空气环境下疲劳性能进行对比。结果表明,室温空气环境下,当两种试样疲劳寿命均达到5×105次循环时,缺口试样的循环应力值较光滑试样下降了52.7%;相同环境下随着应力水平降低,试样疲劳寿命增加;相同应力条件下,3.5% NaCl水溶液环境下试样疲劳寿命最低,油箱积水环境下次之,室温空气中TC21钛合金试样疲劳寿命最高;当应力较低时,差异更为显著。在腐蚀环境下,溶液中离子与金属原子发生电化学反应,加速了裂纹的萌生与扩展,3.5% NaCl水溶液中离子浓度较大,电化学反应更为剧烈     

TC21钛合金线性摩擦焊接头组织及性能分析

本文对TC21钛合金进行线性摩擦焊接试验,采用OM、SEM等测试手段对接头各区域显微组织演变规律进行了分析,并通过显微硬度仪和电子万能试验机对接头显微硬度及拉伸性能进行测试。结果表明：TC21钛合金线性摩擦焊可以得到良好的焊接接头,接头明显分为母材区、热力影响区和焊缝区;焊接过程中焊缝区发生了相变及动态再结晶过程,形成细小的再结晶晶粒,板条状α相在晶界处析出,针状马氏体α′相在晶粒内部析出,并有少量的残余α相保留至室温;热力影响区主要以变形α相为主,随着向两侧母材靠近,再结晶程度逐渐减弱,α相比例逐渐增加。由于飞边形成阶段及焊后冷却速率大小不同,导致沿着焊缝中心向飞边端部靠近,晶粒尺寸逐渐变大。TC21钛合金线性摩擦焊接头显微硬度呈拱形分布,焊缝中心显微硬度值达到最大值460HV,拉伸性能测试结果表明,接头强度与母材相当。