Ti-55511合金的热变形行为及晶粒细化研究

【摘要】近β钛合金是制造长寿命航天/航空承力结构件的关键材料之一。论文重点研究了4种初始组织Ti-55511合金(纯β组织、等轴α组织、粗针α组织和细针α组织)的热变形行为、基于动态材料模型的热加工图和显微组织演变；利用热变形前初始组织调控的方式,开发了一种超细晶Ti-55511合金制备方法,并对超细晶的组织与性能进行了研究。获得的主要研究成果如下：(1)分析了4种初始组织合金真应力-应变曲线中的峰值应力、稳态应力、流变软化程度和平均变形激活能的差异。对于峰值应力而言,粗针α组织合金的峰值应力最高,等轴α组织合金的峰值应力最低,纯β组织和细针α组织合金位于中间,且纯β组织合金的峰值应力大于细针α组织合金。对于稳态应力而言,在高应变速率时,与峰值应力的变化规律相同,但在低应变速率时,细针α组织合金的稳态应力低于等轴α组织合金。对于流变软化程度,各合金的流变软化程度均随变形温度的升高和应变速率的降低而下降；各合金的流变软化曲线在下降的过程中,均出现了明显的突变拐点,但各合金之间突变点对应的变形条件各不相同。(2)研究了4种初始组织合金的平均变形激活能。各合金的峰值应力对应的变形激活能均在340-540kJ/mol之间,其中纯β组织合金的变形激活能最高,等轴α组织最低。随着应变量的增加,各合金变形激活能均呈逐渐降低的趋势；在应变量增加至0.7时,纯β、等轴和粗针α组织合金的变形激活能趋于相近(约300kJ/mol),细针α组织合金的变形激活能由变形初始的380kJ/mol持续下降至220kJ/mol。此外,还可以发现除等轴α组织合金的激活能降低幅度不大外,其它合金均出现了数值突变的现象。其中,纯β组织合金出现在应变量0.2-0.3附近；细针α组织出现在应变量0.3-0.4附近；粗针α组织合金出现在应变量0.4-0.5附近。上述变形激活能的突变应变量,为合金的临界动态再结晶应变量。(3)分别绘制了4种初始组织Ti-55511合金的热加工图。并通过对加工图中功率耗散效率因子η的分布,确定了不同初始组织合金的最佳的热变形参数范围。(4)研究了4种初始组织合金热变形过程中的显微组织演变。随着变形温度的升高和应变速率的降低,各合金中α相动态再结晶程度增加,α/β相晶粒细化程度也逐渐增加,且组织均匀性显著提高；变形温度越高,α相的体积含量越低,而在相同变形温度下,应变速率对α相体积含量影响不大。在热变形过程中,位错通过α相自身塑性变形或β相位错切割进入等方式在针片中大量增殖,从而原始稳定的α片层发生力学失稳；当位错增殖到一定程度,α相开始发生动态再结晶,并生成大量细小的晶粒；在金属流动的牵引下,力学失稳的α针片或小晶粒从α针片上的部分分离,从而在宏观上产生塑性弯折的现象。(5)基于初始组织设计,采用热轧方法制备出一种α和β晶粒尺寸0.1-0.5μm的超细晶组织。超细晶合金的轧制态合金抗拉强度高达1304.7MPa、延伸率为5.24%；经热处理后,合金的显微组织具有较高的热稳定性；经450℃、4h的热处理调控后,合金强度可达1486.09MPa,延伸率为8.54%。此外,在近β钛合金体系中发现了一种以Ti3Al为基的针状α2强化相,且α2相的析出温度区间为450℃-550℃。(6)超细晶Ti-55511合金的主要强化机制为：细晶强化和第二相粒子强化。其中,回复的过程在消除加工硬化的同时促进了晶界/相界的稳定化,提高细晶强化作用；退火过程中发生的α→α2和β→ω→α相变使α相和β相中分别析出了α2和α两类第二相,第二相粒子强化效应增强。但是,当第二相粒子尺寸增加至一定尺寸时,会显著降低合金的塑性。
【作者】李超；
【导师】周科朝；
【作者基本信息】中南大学，材料科学与工程，2013，博士
【关键词】Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe；近β钛合金；热变形行为；显微组织；晶粒超细化；

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