TB6和TA15鈦合金β鍛組織演變及動態(tài)再結晶行為研究.pdf

1、近年來，隨著航空材料以傳統(tǒng)滿足單純的靜強度設計向現(xiàn)代損傷容限設計轉變，對鈦合金提出了損傷容限的要求。為了適應這種選材判據(jù)的變化，采取對鈦合金β鍛是一種主要技術途徑。鈦合金在β鍛時因加熱溫度超過β相變點，β晶粒長大傾向特別大，極易形成粗晶組織，并導致隨后的“組織遺傳性”，而鈦合金動態(tài)再結晶是細化β晶粒的有效手段之一。作者以鍛態(tài)和鑄態(tài)為初始組織的TB6鈦合金以及雙態(tài)為初始組織的TA15鈦合金為研究對象，通過等溫恒應變速率熱模擬壓縮試驗，對其

2、β鍛過程中的動態(tài)再結晶行為及微觀組織演變規(guī)律進行了研究，并構建描述其微觀組織規(guī)律的相關模型。研究結果對TB6及TA15鈦合金β鍛過程中β晶粒細化及鈦合金β鍛的發(fā)展具有重要的理論指導意義和實際應用價值。
　　 論文系統(tǒng)性地研究了TB6(鍛態(tài)和鑄態(tài))和TA15(雙態(tài))鈦合金β鍛過程中動態(tài)再結晶行為。結果表明，鍛態(tài)TB6鈦合金的動態(tài)再結晶形核僅出現(xiàn)在原始晶界附近，其對應的再結晶發(fā)生機制為不連續(xù)動態(tài)再結晶；鑄態(tài)TB6鈦合金的動態(tài)再結晶形

3、核主要出現(xiàn)在原始晶界和β晶粒內(nèi)部兩類地點，其再結晶發(fā)生機制分別對應著不連續(xù)動態(tài)再結晶和連續(xù)動態(tài)再結晶；雙態(tài)TA15鈦合金的動態(tài)再結晶形核主要出現(xiàn)在原始晶界及變形帶處，其對應的形核機制分別為晶界弓彎形核和亞晶旋轉形核。鍛態(tài)TB6鈦合金在應變速率≥1s-1時，β晶粒被拉長，基本未發(fā)生動態(tài)再結晶，以動態(tài)回復為主。在應變速率≤0.1s-1時，以動態(tài)再結晶為主，且在應變速率為0.01s-1～0.1s-1，變形溫度≤950℃時，動態(tài)再結晶發(fā)生較充分

4、，動態(tài)再結晶晶粒長大不明顯，能獲得明顯細化的變形組織；在應變速率≤0.001s-1及變形溫度≥1050℃時，雖然動態(tài)再結晶發(fā)生較充分，但動態(tài)再結晶晶粒長大明顯，變形組織粗化嚴重。從獲得均勻、細小的變形組織考慮，鍛態(tài)TB6鈦合金的熱變形參數(shù)以應變速率≤0.1s-1，變形溫度≤950℃為宜。鑄態(tài)TB6鈦合金在應變速率≤0.001s-1及變形溫度≥950℃時，動態(tài)再結晶發(fā)生充分，并以晶內(nèi)形核為主，變形組織均勻、細?。辉趹兯俾省?s-1時，基

5、本未發(fā)生動態(tài)再結晶，β晶粒被拉長，以動態(tài)回復為主；在其他變形條件下發(fā)生部分動態(tài)再結晶，再結晶體積分數(shù)不超過20％。從獲得均勻、細小的變形組織考慮，鑄態(tài)TB6鈦合金的熱變形參數(shù)以應變速率≤0.001s-1及變形溫度≥950℃為宜。雙態(tài)TA15鈦合金在應變速率≤0.01s-1時以不連續(xù)動態(tài)再結晶為主，動態(tài)再結晶晶粒呈大小不一的混晶組織；在應變速率≥0.1s-1時以連續(xù)動態(tài)再結晶為主，整個動態(tài)再結晶過程保持較高的形核速率，晶粒長大現(xiàn)象不明顯，

6、呈現(xiàn)形核為主的動態(tài)再結晶。
　　 探究了鑄態(tài)TB6鈦合金在熱變形+快冷過程中產(chǎn)生的形變誘導馬氏體的原因、形貌特征、相轉變過程以及變形參數(shù)對形變誘導馬氏體析出量的影響規(guī)律。證實了形變誘導馬氏體主要是合金在微觀上的成分偏析以及變形晶粒內(nèi)部的內(nèi)應力所致。形變誘導馬氏體存在針狀和鋸齒狀兩類形貌特征，其晶體結構均為斜方馬氏體(α”)，晶格常數(shù)為α=0.301nm，6=0.491 nm，c=0.463 nm。形變誘導馬氏體組織轉變模式是先形

7、成近似平行的細條狀或針狀主干，后從主干中不斷生長成樹枝狀，枝干之間可能發(fā)生交合、重疊，馬氏體內(nèi)部存在孿晶。形變誘導馬氏體析出量隨變形溫度升高先增多后減少。應變速率對形變誘導馬氏體析出量的影響規(guī)律與變形溫度區(qū)間有關。在800℃～900℃時，馬氏體析出量與應變速率的關系呈單峰特征，即在0.1 s-1時馬氏體析出量達到峰值；在925℃～1000℃時，馬氏體析出量與應變速率的關系呈雙峰特征，即在0.01s-1和1s-1時出現(xiàn)峰值；在>1000℃

8、時，馬氏體析出量隨應變速率增加先增多后減少，在1s-1時達到最少，繼續(xù)增加應變速率，則析出量又出現(xiàn)明顯增多。在所有的實驗變形參數(shù)范圍內(nèi)，馬氏體析出量在925℃、1s-1時達到最大，此時馬氏體的體積分數(shù)約為50％。
　　 探討了利用加工硬化率(θ)來確定鈦合金動態(tài)再結晶臨界應變的可行性，并提出了相關的數(shù)據(jù)處理技術及其方法。結果表明，鈦合金發(fā)生動態(tài)再結晶時，其動態(tài)再結晶臨界應變對應著θ～σ曲線拐點，且在-аθ/аσ～σ曲線上出現(xiàn)最小

9、值。利用此拐點判據(jù)，確定出了鍛態(tài)TB6和雙態(tài)TA15鈦合金在不同變形條件下的動態(tài)再結晶臨界應變。這兩類原始組織鈦合金的動態(tài)再結晶臨界應變隨應變速率增加和變形溫度降低而增大，且鍛態(tài)TB6和雙態(tài)TA15鈦合金的臨界應變(εc)與峰值應變(εp)之間分別存在εc/εp=0.62和εc/εp=0.504的相關性。通過引入Z參數(shù)較好地表征了這兩類鈦合金的臨界應變與熱變形參數(shù)之間的函數(shù)關系?；跀?shù)理統(tǒng)計方法確定出了鍛態(tài)TB6和雙態(tài)TA15鈦合金的臨

10、界應變與Z參數(shù)的函數(shù)關系分別為εc=1.7129×10-2Z0.156和εc=1.72×10-2Z0.0605。
　　 研究了鍛態(tài)TB6和雙態(tài)TA15鈦合金的動態(tài)再結晶動力學行為和動態(tài)再結晶晶粒尺寸演變模型。結果表明，鍛態(tài)TB6和雙態(tài)TA15鈦合金的動態(tài)再結晶體積分數(shù)隨變形溫度升高和應變速率降低而增大，且其動態(tài)再結晶動力學曲線均呈現(xiàn)“S”型。采用Avrami動力學模型建立了鍛態(tài)TB6鈦合金的動態(tài)再結晶動力學方程為Xdyn=1-e

11、xp[0.6245×(ε-εc/ε0.5)1.1848]，其中ε0.5=0.54326ε0.35775 exp(19230.8/RT)；雙態(tài)TA15鈦合金的動態(tài)再結晶動力學方程為XdRX=1-exp[-1.0483×(ε-εc/ε0.5)1.3046]，其中ε0.5=0.892×ε.1.078。誤差分析表明，所建立的動態(tài)再結晶動力學方程具有較高的精度。基于動態(tài)再結晶晶粒生長驅動力分析，提出了動態(tài)再結晶等效反驅動力“抑制”晶粒長大的概念，