热处理对TC21钛合金组织和性能的影响

国内图书分类号TG115中华人民共和国硕士学位论文（学位研究生）热处理对TC21钛合金组织和性能的影响硕士研究生张民导师杨延清教授学科（专业）材料学西北工业大学二零零四年三月摘要—I—摘要TC21合金是我国自行研制的一种新型高强高韧两相钛合金，本文主要对合金机械热处理工艺、微观组织和室温机械性能之间的关系作了系统的研究。通过光学金相组织分析、扫描断口分析、透射电镜分析、能谱分析等研究手段，结合机械热处理工艺，总结出了工艺对合金组织、性能的影响规律，探讨了合金的强韧化机理，同时对合金的热稳定性也作了初步研究，为合金的实际工艺制定提供理论依据。研究表明，合金的机械热处理工艺对合金组织、性能有较大的影响，常规锻造、α+β两相区热处理得到等轴组织，具有较高的强度，塑性富裕，断裂韧性较低，断裂方式为韧窝开裂；β锻造、α+β两相区热处理时得到网篮组织，强度较高，塑性较低，断裂韧性较高，断裂方式为穿晶准解理开裂。随着固溶温度的升高或者固溶后冷速的加快，合金β转变组织增加，强度升高，塑性降低。随着时效温度的升高或者时效时间的增加，强度先升高，后降低，塑性有相反的趋势。采用β锻造、α+β两相区热处理工艺能得到强度、塑性和断裂韧性较为匹配的综合性能。对合金进行长时间热暴露研究表明，合金具有较好的热稳定性，经600℃、200小时时效后的组织形貌中未观察到第二相的存在，但电子衍射试验证明有少许有序Ti3Al相析出。电镜观察发现合金中有少量界面相存在。关键字：钛合金机械热处理微观组织断裂韧性析出相界面相ABSTRACT—II—ABSTRACTThispaperdetailstheinfluenceofthermomechanicalprocessing(TMP)onthemicrostructuresandmechanicalpropertiesofTC21titaniumalloy，anewalpha+betaalloywithhighstrength,ductilityandtoughnessdevelopedinChina.ByusingEDS,SEM,TEMandopticalmicroscope,theeffectofmi-crostructureonmechanicalpropertiesundervariousconditionsofdeformationandheattreatmenthasbeeninvestigatedandthestrengtheningandtougheningmechanismhasbeenresearched.Moreover,thethermalstabilityofthealloyhasbeenstudied.Manyvaluableresultshavebeenobtainedinthestudy.Alpha+betahotworking,α/β-solutiontreatmentplusagingdevelopsanequiaxedmicrostruc-ture,whichhasmoderatestrength,enoughductileandlowfracturetoughnessandgoeswithdimpledfailure.Whereasbetahotworking,α/β-solutiontreat-mentplusagingdevelopsalamellartransformed-betamicrostructure,whichhashighstrength,lowductileandhighfracturetoughnessandgoeswithtransgranularbrittlenessfailure.Withtheascentofthesolutiontreattem-peratureorthedecreaseofcoolingratefromthesolutiontreattemperature,theamountofthetransformed-betaphaseincreasesandsodoesthetensilestrengthofthealloybuttheductilitydecreases.Withincreaseofagingtem-peratureoragingtime,thetensilestrengthincreasesfirstlyandthendecreases.Foroptimumstrength,ductilityandtoughness,TMProuteisthatbetaprocessfollowedα/β-solutiontreatmentplusaging.Themicrostructureofthealloyhasnomuchdifferenceafterlongtermaging,whiletheprecipitateofα2-Ti3Alhasbeenidentifiedinelectrondiffractionpatterns.Afewinterfacephasehasbeenobservedinthisalloy.Keywords：titaniumalloy;thermomechanicalprocessing;microstructure;fracturetoughness;precipitates;interfacephase目录—III—目录摘要…………………………………………………………………………ⅠABSTRACT…………………………………………………………………Ⅱ目录…………………………………………………………………………Ⅲ第1章绪论…………………………………………………………………11.1研究背景……………………………………………………………11.2钛及钛合金概述……………………………………………………11.2.1纯钛的性能及特点………………………………………………21.2.2钛合金及其分类…………………………………………………21.3α+β型钛合金的工艺、组织和性能…………………………………31.3.1α+β型钛合金的组织及性能……………………………………31.3.2α+β型钛合金的锻造工艺………………………………………51.3.3α+β钛合金的热处理工艺………………………………………71.4钛合金中的析出相和界面相………………………………………111.5课题来源及研究内容………………………………………………14第2章实验内容及方法……………………………………………………152.1实验用原材料………………………………………………………152.2热处理工艺…………………………………………………………152.3力学性能测试………………………………………………………152.4研究手段……………………………………………………………18第3章热处理对显微组织、拉伸性能的影响……………………………193.1引言…………………………………………………………………193.2实验结果……………………………………………………………193.2.1锻态试样光学金相显微组织…………………………………193.2.2固溶温度对组织性能的影响…………………………………213.2.3时效温度对组织性能的影响…………………………………263.2.4时效时间对组织性能的影响…………………………………283.2.5冷速对组织性能的影响………………………………………303.2.6机械热处理工艺对合金弹性模量的影响……………………313.3分析讨论……………………………………………………………32西北工业大学工学硕士学位论文—IV—第4章合金的强韧性………………………………………………………344.1引言…………………………………………………………………344.2合金的强化…………………………………………………………344.2.1合金的设计思路………………………………………………344.2.2合金的固溶强化………………………………………………354.2.3合金的析出强化………………………………………………384.3合金的断口分析……………………………………………………394.3.1室温拉伸断口分析……………………………………………394.3.2断裂韧性分析…………………………………………………44第5章TC21合金的析出相…………………………………………………485.1引言…………………………………………………………………485.2长时间时效研究……………………………………………………485.2.1试验方法………………………………………………………485.2.1试验结果………………………………………………………485.2.3分析讨论………………………………………………………505.3界面相研究…………………………………………………………52主要结论……………………………………………………………………54参考文献……………………………………………………………………55致谢…………………………………………………………………………58第1章绪论—1—第1章绪论1.1研究背景钛及钛合金具有许多优点，如比强度高、导热系数低、耐腐蚀、良好的中低温性能，由于这些优点，从50年代开始，在较短的时间内，钛工业得到了迅速的发展，钛及钛合金已广泛应用于航空、航天、化工、石油、冶金、电力、舰船及医疗器械等行业，被誉为“现代金属”、“第三金属”、“战略金属”[1-4]。即便如此，目前钛合金开发和应用的重点仍然是航空航天工业的结构件。作为结构件，传统的选材判据只包括三个基本因素：未损伤材料的静强度及刚度；未损伤材料的疲劳性能；高温使用时的蠕变、持久和热稳定性。二十世纪五十年代英国“彗星”式客机的失事，使得传统的设计概念受到了怀疑，随着人们认识的加深和断裂力学的发展，航空器结构废弃了单纯的静强度设计概念，采用了结构完整性和损伤容限概念，增加了两个新因素：已损伤材料的静强度和已损伤材料的疲劳性能。综合在一起，称为现代航空工业结构设计和选材判据的五项基本因素。断裂力学的发展结果表明，用断裂韧性（KIC）指标来反映材料抵抗裂纹失稳扩展的能力是较科学的，它实际上反映了材料对裂纹的敏感程度，因此，已损伤材料的静强度通常是以断裂韧性指标为判据，且在估算已损伤材料的疲劳性能时也需将KIC同“K△—da/dN”结合起来考虑[5-6]。由此一来，原来的一些超高强度钛合金因对损伤敏感而在竞争中处于劣势地位，而像Ti-6Al-4Vβ-ELI、TC11DT、Ti-62222S等具有较匹配的强度、断裂韧性和疲劳裂纹抗力的钛合金的研究和应用越来越得到重视，例如，最早应用于航空工业的钛合金—Ti-6Al-4V—因其匹配的强度、塑性和断裂韧性仍然大量的使用，其中最引人瞩目的是5万吨液压机模锻出来的特大Ti-6Al-4Vβ-ELI合金隔框架应用于二十一世纪第四代战斗机的典型代表F-22“猛禽”的机体,Ti-62222S也被应用于此战斗机[7-10]。然而，我国在损伤容限设计方面起步较晚，高强高韧钛合金的研究远远落后于西方国家，在航空航天业高速发展的今天，对高强高韧钛合金的需求将日益迫切，因此我们必须加强这方面的研究，以免今后处于十分被动的局面。西北工业大学工学硕士学位论文—2—1.2钛及钛合金概述[11-14]1.2.1纯钛的性能及特点钛在周期表中属BⅣ族元素，原子序数为22，原子量为47.9。钛有两种同素异构晶体，在转变温度882.5℃以下为密排六方的α-Ti,点阵常数为：a=0.29511nm,c=0.46843nm,c/a=1.5873。在882.5℃以上为体心立方的β-Ti,点阵常数：a=0.3282nm。钛的密度介于铁、铝之间，弹性模量低，熔点较高，导电系数和线膨胀系数均较低。钛在室温下比较稳定，但在高温下却很活泼，因此需在真空或惰性气体中熔炼。钛在550℃以下能与氧形成致密的氧化膜，具良好的