高强高韧Ti-Al-Fe-V-(Mo,Cr)系合金显微组织与力学性能研究

【摘要】为满足航空航天领域对高强高韧钛合金工艺性能和力学性能的要求,本文以常用Ti-1023、VT22以及Timeta1555合金为基础设计了两种新型高强高韧近β型钛合金,其名义成分为Ti-3Al-2Fe-8V-1.5Mo和Ti-3Al-1Fe-4V-4.5Cr。本文利用准静态拉伸性能测试、断裂韧性测试、金相显微观察、扫描电子显微观察和相图计算等手段系统地研究了两种合金在不同热处理条件下的力学性能和显微组织演变规律,并分析了显微组织特征对合金力学性能的影响。在本实验研究范围内,通过调整两种合金的固溶和时效热处理参数分别获得了良好的强度、塑性和断裂韧性匹配关系。本文可以为进一步深入研究该两种合金的性能和应用提供参考及依据。实验结果表明,合金在两相区固溶条件下的显微组织主要由亚稳β相和长条状或球状αp相组成；当固溶时间相同时,升高固溶温度可以使组织中αp相的体积分数减小,形貌逐渐球化；当固溶温度相同时,延长固溶时间可以使组织中的球状αp相长大并相互连接成长条状。当合金在相变点以上单相区固溶时,αp相全部消失,得到由p相组成的等轴组织,且p晶粒易随固溶温度升高而长大。经两相区固溶时效后,合金的显微组织主要由αp相、αs相和残留的亚稳p相组成；在相同的时效条件下,升高固溶温度可以使组织中αs相的长宽比增大,单一αs相的片层厚度减小；在相同的固溶条件下,升高时效温度可以使组织中αs相由点状长大成细长的针状,且长宽比逐渐增大；延长时效时间可以使组织中αs相的长宽比减小,单一αs相的片层厚度增加,导致αs相明显粗化。在单相区固溶时效条件下,合金的显微组织主要由αs相和残留的亚稳p相组成；组织中αs相以一定的取向关系沿着晶界弥散析出,晶内αs相交错排列,通常被称为“点状析出”；升高固溶温度使得αs相尺寸变小,晶界α相变窄。若仅经固溶处理,随着固溶温度升高,合金的强度降低,塑性提高。又经时效处理后,合金的强度会在αs相弥散强化作用下得到进一步提高。在相同的时效条件下,随着固溶温度升高,合金的强度提高,塑性降低；在相同的固溶条件下,随着时效温度升高和时间延长,合金的强度降低,塑性提高。在本文研究范围内,经(Tβ-40)～(Tβ-20)℃保温1h后水冷,再经550℃时效8h空冷或600℃时效2～8h空冷后,两种合金的强度和塑性的匹配情况较好。对经过优化热处理后的合金进行断裂韧性测试,发现在相同的时效条件下,随着固溶温度升高,合金的断裂韧性增大;在相同的固溶条件下,随着时效温度的升高和时间的延长,合金的断裂韧性降低。优化热处理后,Ti-3Al-2Fe-8V-1.5Mo合金的抗拉强度达到1185-1340MPa,延伸率达到10-16.5%,断裂韧性达到62.3～80MPa-m1/2;Ti-3Al-1Fe-4V-4.5Cr合金的抗拉强度达到1145-1250MPa,延伸率达到9.5-14.5%,断裂韧性达到57.0～95.1MPa·m1/2。因此,两种合金均可获得良好的强度、塑性和断裂韧性匹配关系。
【作者】邹丽娜；
【导师】叶文君；
【作者基本信息】北京有色金属研究总院，材料科学与工程，2014，硕士
【关键词】钛合金；固溶；时效；显微组织；力学性能；

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