合金元素對(duì)鑄造Ti-1100合金組織及性能影響.pdf

1、600℃應(yīng)用的高溫鈦合金具有輕質(zhì)、耐熱、高強(qiáng)等優(yōu)良特性，在航空航天上具有廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前對(duì)600℃高溫鈦合金的研究主要集中在變形合金上，對(duì)鑄造成形600℃高溫鈦合金的研究比較匱乏。本論文重點(diǎn)研究了凝固條件與合金元素對(duì)鑄造高溫鈦合金組織及性能的影響。首先分析了Ti-1100合金與CaO坩堝的界面反應(yīng)規(guī)律。研究結(jié)果表明，熔融金屬和CaO坩堝的界面反應(yīng)是由坩堝輕微的化學(xué)溶解和微弱的物理侵蝕引起的。α反應(yīng)層的形成機(jī)制是間隙氧原子在界面處的擴(kuò)散。

2、對(duì)Ti-1100合金和CaO坩堝反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能進(jìn)行了計(jì)算，得到Ca和O的平衡常數(shù)和相互作用參數(shù)分別為logK=-3.14和CaOe=-3.54。
　　不同鑄件模數(shù)Ti-1100試樣的鑄態(tài)組織均為魏氏組織，合金的原始β晶粒尺寸和α片層間距均隨鑄件模數(shù)的降低而下降。其中模數(shù)為2.5mm試樣的原始β晶粒尺寸和α片層間距分別為249.4μm和5.3μm，與模數(shù)為5.6mm的試樣相比分別下降了43.7％和22.1%。合金的顯微硬度隨

3、鑄件模數(shù)的降低而升高。合金的β轉(zhuǎn)變溫度隨鑄件模數(shù)的增加而降低，隨升溫速率的提高而增加。合金在熱處理后組織仍屬于典型的魏氏組織，合金的原始β晶粒尺寸和α片層間距均隨鑄件模數(shù)的降低而下降，合金經(jīng)不同熱處理后的顯微硬度值均比鑄態(tài)時(shí)有所提高，相同熱處理?xiàng)l件下合金的顯微硬度值均隨鑄件模數(shù)的降低而提高。
　　研究了不同Zr含量對(duì)鑄態(tài)Ti-1100合金顯微組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)Zr含量的增加對(duì)合金的組織具有細(xì)化作用。6wt.%Zr成分的

4、合金中有TiSi和S2型硅化物析出，析出位置均在β相處。TiSi相屬于正交晶型結(jié)構(gòu)，與殘留β相存在如下位向關(guān)系：(102)TiSi∥(11_0)β，[2_41]TiSi∥[001]β和(100)TiSi∥(101)β，[01_1]TiSi∥[1_11]β。S2型硅化物屬于密排六方結(jié)構(gòu)，且長軸方向與α片層的延伸方向交叉呈60°夾角。S2型硅化物與α相之間存在如下位向關(guān)系：(011_0)S2∥(21_1_0)α，[21_1_3_]S2∥[0

5、001]α和(101_0)S2∥(12_10)α，[12_13]S2∥[1_011]α。合金的顯微硬度隨Zr含量的增加而增加。合金的β轉(zhuǎn)變溫度隨Zr含量的增加而降低。合金在熱處理后組織仍屬于魏氏組織。不同熱處理?xiàng)l件下合金的原始β晶粒尺寸和α片層間距均隨Zr含量的增加而降低。合金在熱處理后的顯微硬度值與鑄態(tài)合金相比均有所提高，同種熱處理?xiàng)l件下合金的顯微硬度值隨Zr含量的增加而增加。
　　添加微量B元素能顯著細(xì)化Ti-1100合金的凝

6、固組織，TiB相易于沿著[010]方向生長形成針狀結(jié)構(gòu)以降低由于晶格畸變產(chǎn)生的界面能，TiB相與鈦基體之間的界面比較干凈且沒有缺陷產(chǎn)生。TiB相內(nèi)部沿(100)面方向出現(xiàn)大量的堆垛層錯(cuò)，這是由硼原子在TiB晶體結(jié)構(gòu)（B27結(jié)構(gòu)）中的位置以及TiB與Ti基體的晶格錯(cuò)配能引起的。鑄態(tài)合金的維氏硬度值隨B元素含量的增加而增加。合金的β轉(zhuǎn)變溫度隨B含量的增加而增加。不同熱處理?xiàng)l件下Ti-1100合金的α片層間距隨B含量的增加而降低。不同成分合金

7、在熱處理后的顯微硬度值與鑄態(tài)合金相比均有所提高，同種熱處理?xiàng)l件下合金的顯微硬度值隨B含量的增加而增加。
　　研究了Nb元素對(duì)鑄造Ti-1100合金的組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，Nb元素的添加對(duì)合金的組織具有細(xì)化作用并促使合金析出S2型硅化物。合金的顯微硬度隨Nb含量的增加先增加后降低。對(duì)含Nb鈦合金的斷裂韌性分析結(jié)果表明，合金的斷裂韌性值隨隨Nb含量的增加而增加，其中Ti-1100-1.0Nb合金的斷裂韌性值可達(dá)到44.5

8、MPa·m1/2，比未添加Nb的合金提高了15.6MPa·m1/2。斷裂韌性的增加可歸因于晶粒細(xì)化和硅化物的析出提高了裂紋尖端擴(kuò)展路徑的曲折程度。含Nb和不含Nb合金的主要斷裂形式均為解離斷裂。不同Nb含量Ti-1100合金的熱處理組織仍為魏氏組織。同種合金的原始β晶粒尺寸和α片層間距在不同熱處理?xiàng)l件下變化不大，同種熱處理?xiàng)l件下的原始β晶粒尺寸和α片層間距均隨Nb含量的增加而降低。EBSD分析結(jié)果表明，各熱處理合金中均沒有出現(xiàn)明顯的織構(gòu)