損傷容限型TC4-DT合金鍛件組織性能控制研究.pdf

1、隨著航空用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念由最初的單純靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)到現(xiàn)在的耐久性/損傷容限設(shè)計(jì)，飛機(jī)選材判據(jù)也隨之發(fā)生了變化，由原來(lái)強(qiáng)調(diào)未損傷材料的靜強(qiáng)度及剛度、疲勞性能、高溫使用時(shí)的蠕變、持久和熱穩(wěn)定性，到現(xiàn)在增加并強(qiáng)調(diào)的已損傷材料的靜強(qiáng)度和疲勞性能，其表征就是高的斷裂韌性和較低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。鈦合金作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵材料，國(guó)內(nèi)基于損傷容限設(shè)計(jì)的主要有TC4-DT和TC21新型合金，其工藝控制上主要有單相區(qū)退火處理和變形處理，獲得的片狀組織具有較高

2、的斷裂韌性和低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。
　　本文所有的研究工作都是基于TC4-DT新型鈦合金而言的。主要研究了等溫壓縮實(shí)驗(yàn)條件下該合金的力學(xué)行為，建立了高溫變形下的本構(gòu)方程和熱加工圖；系統(tǒng)研究了單相區(qū)不同參數(shù)下的等溫變形加兩相區(qū)不同熱處理、兩相區(qū)變形加不同相區(qū)熱處理工藝下的組織演變規(guī)律，確立了各種變形條件下組織參數(shù)和室溫拉伸性能的定量關(guān)系，并對(duì)各種情況下合金的強(qiáng)化機(jī)制和室溫拉伸變形機(jī)理以及斷裂機(jī)理進(jìn)行了深入研究；通過不同工藝條件下獲得

3、的斷裂韌性分析揭示了組織類型對(duì)斷裂韌性的影響規(guī)律，并對(duì)片狀魏氏組織參數(shù)對(duì)斷裂韌性的影響規(guī)律進(jìn)行了定性的研究。主要研究成果如下：
　　（1）TC4-DT合金在高溫變形時(shí)對(duì)溫度和應(yīng)變速率非常敏感，流動(dòng)應(yīng)力隨溫度的降低和應(yīng)變速率的升高而快速升高。流變曲線在較低溫度區(qū)間呈現(xiàn)應(yīng)變軟化特征，而在高溫區(qū)間則呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)特征?；?Arrhenius雙曲正弦方程并考慮應(yīng)變效應(yīng)的改進(jìn)型本構(gòu)方程可以較好地模擬TC4-DT合金高溫變形時(shí)的力學(xué)行為，具有

4、較小的誤差。對(duì)于初始組織為等軸組織的TC4-DT合金而言，兩相區(qū)變形主要與溫度引起的相變有關(guān)，單相區(qū)變形主要與應(yīng)變速率決定的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶有關(guān)。
　?。?）基于動(dòng)態(tài)材料模型建立的熱加工圖確定了該合金高溫變形時(shí)的穩(wěn)定變形區(qū)和失穩(wěn)區(qū)，結(jié)合對(duì)變形試樣的組織觀察確立了初始組織為等軸組織的TC4-DT合金高溫變形過程中以動(dòng)態(tài)回復(fù)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和超塑性為主的安全變形機(jī)制，以及以絕熱剪切、局部不穩(wěn)定流動(dòng)和微觀裂紋的失穩(wěn)變形機(jī)制，建立了TC4-DT合金

5、在不同變形條件下的變形機(jī)制圖，獲得了該合金熱加工參數(shù)的較佳的范圍。
　?。?）TC4-DT合金經(jīng)過單相區(qū)不同等溫鍛造工藝參數(shù)下的變形后其組織可以分為兩類，第一類是經(jīng)過大變形的混合片狀組織，第二類是經(jīng)過一次或多次小變形的接近于魏氏組織的片狀組織。通過對(duì)每種類型組織的定量化測(cè)定建立了該類型組織參數(shù)與性能的定量關(guān)系。通過對(duì)每類組織的室溫拉伸變形試樣的透射觀察表明組織類型一主要是以初始粗大的片狀α相的滑移變形為主，孿生變形為輔，斷口分析表

6、明其斷裂主要是微孔連接型的韌性斷裂；組織類型二的變形主要是通過α束域（αc）之間的協(xié)調(diào)變形來(lái)實(shí)現(xiàn)，沒有觀察到孿晶的存在，其斷裂機(jī)制以沿晶和穿晶解理的脆性斷裂為主。
　?。?）TC4-DT合金經(jīng)過兩相區(qū)和單相區(qū)不同的熱處理后主要獲得了等軸組織和魏氏組織。研究了該合金在不同相區(qū)熱處理時(shí)不同工藝參數(shù)下的組織演變規(guī)律，通過對(duì)組織的定量化測(cè)定建立了該合金等軸組織和魏氏組織參數(shù)與力學(xué)性能之間的定量關(guān)系。魏氏組織室溫拉伸強(qiáng)度和等軸組織處于相當(dāng)?shù)?/p>

7、水平，塑性卻低于等軸組織。等軸組織室溫變形主要以等軸α相和β轉(zhuǎn)變組織的β相的滑移為主，β轉(zhuǎn)變組織中的α片只承擔(dān)部分變形，且以孿生為主。等軸α相在變形時(shí)內(nèi)部位錯(cuò)重新排列會(huì)形成亞晶界。魏氏組織變形時(shí)束域組織作為整體參與變形時(shí)是以滑移為主，束域組織內(nèi)部的α條則是位錯(cuò)滑移和孿生變形為主。魏氏組織室溫變形時(shí)也會(huì)引起α條內(nèi)亞結(jié)構(gòu)的變化而形成亞晶。斷口分析表明等軸組織的斷裂主要是韌性斷裂，魏氏組織主要呈現(xiàn)解理斷裂或解理和沿晶的混合脆性斷裂特征。

8、>　?。?）研究了不同工藝條件下獲得的斷裂韌性并對(duì)其影響因素進(jìn)行了分析。從組織類型來(lái)說，等軸組織的斷裂韌性最低，魏氏組織的最高，片狀混合組織居中。魏氏組織中，原始β晶粒大小對(duì)斷裂韌性的影響沒有明顯的規(guī)律。斷裂韌性隨晶界α相寬度、晶內(nèi)α片厚度和α束域尺寸的增加而增加。屈服強(qiáng)度對(duì)斷裂韌性的影響主要與其對(duì)裂紋尖端塑性區(qū)的尺寸的影響有關(guān)，同一種組織類型下斷裂韌性隨屈服強(qiáng)度的升高而降低。等軸組織斷裂韌性試樣斷口主要為尺寸較為均勻的等軸韌窩，斷口的

9、縱向深度變化不大。片狀混合組織的斷口主要為拉長(zhǎng)的纖維狀的韌窩和韌窩間的撕裂棱，斷口表面有二次裂紋出現(xiàn)。魏氏組織的斷口有大量粗糙的解理平面及解理臺(tái)階、大尺寸的拉長(zhǎng)韌窩和較深的二次裂紋，為穿晶脆性斷裂，縱向深度起伏較大，斷面粗糙度增加。斷面粗糙度的增加和二次裂紋的出現(xiàn)表明裂紋擴(kuò)展的曲折程度較高，裂紋擴(kuò)展所需能量較多，故斷裂韌性較高。
　　（6）本文所得TC4-DT合金綜合性能最優(yōu)的工藝為β相區(qū)變形的工藝：βt+20℃、60％、1x10