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

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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— ABSTRACT This paper details the influence of thermomechanical processing (TMP) on the microstructures and mechanical properties of TC21 titanium alloy，a new alpha+beta alloy with high strength, ductility and toughness developed in China. By using EDS, SEM, TEM and optical microscope, the effect of mi-crostructure on mechanical properties under various conditions of deformation and heat treatment has been investigated and the strengthening and toughening mechanism has been researched. Moreover, the thermal stability of the alloy has been studied. Many valuable results have been obtained in the study. Alpha+beta hot working, α/β-solution treatment plus aging develops an equiaxed microstruc-ture, which has moderate strength, enough ductile and low fracture toughness and goes with dimpled failure. Whereas beta hot working, α/β-solution treat-ment plus aging develops a lamellar transformed-beta microstructure, which has high strength, low ductile and high fracture toughness and goes with transgranular brittleness failure. With the ascent of the solution treat tem-perature or the decrease of cooling rate from the solution treat temperature, the amount of the transformed-beta phase increases and so does the tensile strength of the alloy but the ductility decreases. With increase of aging tem-perature or aging time, the tensile strength increases firstly and then decreases. For optimum strength, ductility and toughness, TMP route is that beta process followed α/β-solution treatment plus aging. The microstructure of the alloy has no much difference after long term aging, while the precipitate of α2-Ti3Al has been identified in electron diffraction patterns. A few interface phase has been observed in this alloy. Key words： titanium alloy; thermomechanical processing; microstructure; fracture toughness; precipitates; interface phase 目 录

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目 录 摘要…………………………………………………………………………Ⅰ ABSTRACT …………………………………………………………………Ⅱ 目录…………………………………………………………………………Ⅲ 第1章 绪论…………………………………………………………………1 1.1 研究背景 ……………………………………………………………1 1.2 钛及钛合金概述……………………………………………………1 1.2.1 纯钛的性能及特点………………………………………………2 1.2.2 钛合金及其分类…………………………………………………2 1.3 α+β型钛合金的工艺、组织和性能…………………………………3 1.3.1 α+β型钛合金的组织及性能 ……………………………………3 1.3.2 α+β型钛合金的锻造工艺………………………………………5 1.3.3 α+β钛合金的热处理工艺………………………………………7 1.4 钛合金中的析出相和界面相………………………………………11 1.5 课题来源及研究内容………………………………………………14 第2章 实验内容及方法……………………………………………………15 2.1 实验用原材料………………………………………………………15 2.2 热处理工艺…………………………………………………………15 2.3 力学性能测试………………………………………………………15 2.4 研究手段……………………………………………………………18 第3章 热处理对显微组织、拉伸性能的影响……………………………19 3.1 引言…………………………………………………………………19 3.2 实验结果……………………………………………………………19 3.2.1 锻态试样光学金相显微组织…………………………………19 3.2.2 固溶温度对组织性能的影响…………………………………21 3.2.3 时效温度对组织性能的影响…………………………………26 3.2.4 时效时间对组织性能的影响…………………………………28 3.2.5 冷速对组织性能的影响………………………………………30 3.2.6 机械热处理工艺对合金弹性模量的影响……………………31 3.3 分析讨论……………………………………………………………32 西北工业大学工学硕士学位论文

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第4章 合金的强韧性………………………………………………………34 4.1 引言…………………………………………………………………34 4.2 合金的强化…………………………………………………………34 4.2.1 合金的设计思路………………………………………………34 4.2.2 合金的固溶强化………………………………………………35 4.2.3 合金的析出强化………………………………………………38 4.3 合金的断口分析……………………………………………………39 4.3.1 室温拉伸断口分析……………………………………………39 4.3.2 断裂韧性分析…………………………………………………44 第5章 TC21合金的析出相…………………………………………………48 5.1 引言…………………………………………………………………48 5.2 长时间时效研究……………………………………………………48 5.2.1 试验方法………………………………………………………48 5.2.1 试验结果……………………………………………………… 48 5.2.3 分析讨论………………………………………………………50 5.3 界面相研究…………………………………………………………52 主要结论……………………………………………………………………54 参考文献……………………………………………………………………55 致谢…………………………………………………………………………58 第1章 绪论

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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-4V β-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。