含鈧鈦合金的制備及其相關(guān)基礎(chǔ)問(wèn)題研究.pdf

1、鈦及鈦合金作為一種重要的結(jié)構(gòu)材料，從上世紀(jì)50年代以來(lái)就已成為研究的熱點(diǎn)。熱點(diǎn)之一就是通過(guò)合金化不斷開(kāi)發(fā)新的合金體系以提高鈦及鈦合金室溫和高溫性能。論文作者采用真空電弧熔煉和真空自耗電極電弧熔煉技術(shù)制備了Ti-Sc、Ti-Al-Sc以及Ti-Al-V-Sc系的系列合金，借助光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、差熱分析儀、X射線衍射儀、顯微硬度計(jì)以及熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)等手段，研究了合金化元素Se對(duì)鈦及鈦合金相轉(zhuǎn)變、相組成、組織演變、高溫

2、變形及其機(jī)制等物理冶金問(wèn)題的影響，主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下： （1）研究了Sc元素的添加對(duì)Ti的α→β相轉(zhuǎn)變過(guò)程中組織形態(tài)、顯微硬度、晶格常數(shù)的影響，并從熱力學(xué)角度分析了Sc對(duì)Ti的影響。結(jié)果表明：添加2wt％Sc顯著細(xì)化了Ti的鑄態(tài)顯微組織并將顯微硬度從190HV0.01提高至308HV0.01；隨Sc含量增加，合金組織組織形態(tài)由塊狀和針狀α（Ti-2Sc和Ti-5Sc）變化為沿β晶界生長(zhǎng)的α片層簇組織（Ti-25Sc）以及螺旋

3、狀組織（Ti-37Sc）；合金的晶格常數(shù)a、c和c/a在αTi相區(qū)內(nèi)（<7wt％Sc）隨Sc含量的變化而呈線性變化，而在（α-Ti+α-Sc）兩相區(qū)內(nèi)（>25wt％Sc）變化不大；Sc降低了Ti的α→β相變溫度，是Ti的β穩(wěn)定化元素。 （2）研究了Sc對(duì)Ti-Al二元合金和Ti-6Al-4V合金的組織形態(tài)、相組成和顯微硬度的影響。結(jié)果表明：Sc顯著細(xì)化了主要由αTi和Ti3Al相組成的Ti-6Al和Ti-10Al合金的鑄態(tài)組織，

4、添加Sc后還有AlSc和Al3Sc相生成。Sc降低了鑄態(tài)Ti-6Al和Ti-10Al合金的顯微硬度，后者顯微硬度高于前者。經(jīng)β相區(qū)、近α+β相區(qū)和α相區(qū)溫度下真空退火后，Ti-6Al合金中Ti3Al相消失，Ti-3Al-3Sc和Ti-8Al-2Sc合金中Al3Sc相消失，Ti-10Al合金中有次生Ti3Al相生成。退火態(tài)Ti-Al和Ti-Al-Sc合金的顯微硬度均高于鑄態(tài)時(shí)的顯微硬度，并且隨退火溫度升高顯微硬度有所增加。添加0.3wt％

5、Sc顯著細(xì)化了Ti-6Al-4V合金中的α片層組織，對(duì)原始β晶粒尺寸影響不大，添加0.5wt％Sc后α片層組織和原始β晶粒均得到細(xì)化，等軸狀α相的體積分?jǐn)?shù)減少，片層狀α相的體積分?jǐn)?shù)增加，Sc提高了片層α相的顯微硬度，合金在鍛造過(guò)程中因內(nèi)氧化而生成彌散分布的Sc2O3顆粒。 （3）研究了Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V-0.3wt％Sc和Ti-6Al-4V-0.5wt％Sc合金高溫壓縮變形的特點(diǎn)。合會(huì)的流變應(yīng)力隨變形溫度升高

6、和應(yīng)變速率降低而減小，850℃下，合金的流變應(yīng)力升至峰值后呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)軟化特征。當(dāng)溫度升高至850℃以上時(shí)，合金的流變形應(yīng)力升至峰值后呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流變特征，并且部分變形條件下呈現(xiàn)應(yīng)變硬化特征。在ε=1s-1/850℃、ε=0.1s-1/850℃和ε=1s-1/1050℃變形條件下，Sc明顯提高了合金的峰值應(yīng)力。以Sellars和Tegart提出的包含變形激活能Q和溫度T的雙曲正弦形式本構(gòu)模型為基礎(chǔ)，求得了合金高溫變形的材料常數(shù)，并建立了合金高溫

7、變形流變應(yīng)力本構(gòu)方程。Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V-0.3Sc和Ti-6Al-4V-0.5Sc合金的激活能在β相區(qū)分別為134.014kJ/mol、121.643kJ/mol和101.367kJ/mol，在α+β兩相區(qū)分別為670.474kJ/mol、542.273kJ/mol和679.783kJ/mol。合金高溫變形的局部化流變參數(shù)（）值受應(yīng)變速率的影響較大，溫度一定時(shí)，隨應(yīng)變速率增加而減小，β相區(qū)的（）值小于α+β兩相區(qū)的

8、（）值，Sc含量對(duì)（）值的影響不大。 （4）基于熱加工圖的基本原理，采用Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V-0.3Sc和Ti-6Al-4V-0.5Sc合金的高溫壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別繪制了合金在應(yīng)變?yōu)?.05、0.2、0.4和0.6時(shí)的熱加工圖，討論了合金的變形穩(wěn)定性。在四種真應(yīng)變條件下，合金在低溫和高溫下共有2～3個(gè)流變失穩(wěn)區(qū)域出現(xiàn)，失穩(wěn)區(qū)域的范圍隨真應(yīng)變和Sc含量的增加而變大，主要是應(yīng)變速率范圍的增大。在部分失穩(wěn)條件下的樣品中

9、觀察到了絕熱剪切帶、局部化流變、壓縮試樣表面開(kāi)裂等失穩(wěn)現(xiàn)象。Ti-6Al-4V合金的峰值功率耗散效率隨Sc含量的增加而降低，即在合金變形初始態(tài)顯微組織由等軸狀向針狀變化時(shí)，峰值功率耗散效率降低。三合金在較寬的變形條件范圍內(nèi)均具備動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的條件。 （5）利用光學(xué)金相和透射電子顯微分析研究了Sc（0.3wt％，0.5wt％）對(duì)Ti-6Al-4V合金在β相區(qū)和α+β相區(qū)變形機(jī)制的影響。在β單相區(qū)變形時(shí)，合金在低應(yīng)變速率下發(fā)生自擴(kuò)

10、散控制的大晶粒超塑性變形，原始β晶粒清晰可見(jiàn)，β相轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧瞀榴R氏體相；高應(yīng)變速率下試樣邊部發(fā)生再結(jié)晶，內(nèi)部晶粒由于變形被拉長(zhǎng)，添加Sc使再結(jié)晶出現(xiàn)時(shí)的應(yīng)變速率減小，此時(shí)再結(jié)晶為靜態(tài)再結(jié)晶；添加Sc使低應(yīng)變速率變形后原始β晶粒尺寸有所減小，對(duì)高應(yīng)變速率變形后的晶粒尺寸沒(méi)有太大影響。合金在α+β兩相區(qū)變形時(shí)，不管在高應(yīng)變速率還是在低應(yīng)變速率下，α相均發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；Ti-6Al-4V合金出現(xiàn)絕熱剪切帶，再結(jié)晶晶粒呈等軸狀態(tài)，合金試樣內(nèi)部

11、晶粒受變形被拉長(zhǎng)；添加Sc后使動(dòng)態(tài)再結(jié)晶更為明顯，并且再結(jié)晶晶粒尺寸較大，沒(méi)有明顯的絕熱剪切帶出現(xiàn)，僅在合金試樣內(nèi)部有局部化流變帶產(chǎn)生。合金變形組織的不均勻性隨變形溫度的升高而變小，變形過(guò)程中的絕熱溫升不是影響組織不均勻性的主要因素。在850℃/0.1s-1變形條件下，添加Sc后Ti-6Al-4V合金的變形組織出現(xiàn)孿晶特征的層片狀α相、晶界處的位錯(cuò)塞積、等軸α晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)消失以及細(xì)小彌散析出相等，這也正是在低溫高應(yīng)變速率變形條件下Sc