热加工过程中的Ti40合金组织结构与力学性能研究

论文摘要

Ti40合金（Ti-25V-15Cr-0.2Si）是我国针对航空发动机钛火问题而研制的具有自主知识产权的阻燃钛合金。经过10余年的发展,课题组人员已经对合金的变形机理、阻燃机理、高温氧化机理、组织与性能的关系、以及热稳定性和蠕变性能进行了系统的研究,得出了一些重要结论。但是,Ti40合金大规格锻件在热加工过程中的开裂问题直没有能够得到很好的解决,这极大的限制了Ti40合金的加工和应用。针对此问题,本文在Ti40合金大规格锻件的锻造过程中选取不同状态的（铸态、中间锻态、终锻态、环材）样品,研究合金在热加工条件下加热过程中晶粒的生长行为、固溶特性、高温拉伸特性及成品环材成品环材的去应力退火工艺。研究结果对Ti40合金大规格锻件锻造工艺的选择和成品环材机加工过程中残余应力消除具有重要的指导作用。对不同样品在热加工温度下晶粒生长行为的研究表明,在加热过程中,组织的变化主要是锻态过程中沿晶界生成的再结晶晶粒的长大过程。当加热温度较低时,由于再结晶晶粒生长不充分,导致整体组织不均匀；随着加热温度的升高,再结晶晶粒逐渐长大,并向原始晶粒延伸,整体组织均匀化程度增加；当温度继续升高,出现晶粒的异常长大现象。综合组织均匀性和平均晶粒尺寸,认为Ti40合金在实际的热加工过程中,加热温度应选择在1000℃,时间不宜超过5小时。对合金铸态、终锻态和环材样品在热加工温度下的固溶特性和高温拉伸行为研究表明,Ti40合金的组织为单一等轴p相组织,合金中固溶的大量V、Cr元素,造成了晶格的较大畸变,导致实际晶格常数比标准p相晶格常数有较大程度的减小,但不同状态、不同加热条件下晶格常数变化不大,这种固溶程度导致Ti40合金具有极高的晶内固溶强化效果；而随后的高温拉伸性能表明,在1000℃温度条件下,合金的晶界强度极弱,通过和晶内强度对比,认为高温下晶内强度和晶界强度的巨大差别是Ti40合金锻造过程中容易开裂的主要原因之一。最后针对Ti40合金成品环件中存在的残余应力问题,设计不同的去应力退火工艺,结果表明,退火温度对合金室温、高温和热暴露后强度影响不大,但对塑性影响明显。当退火温度超过600℃时,合金室温、高温和热暴露后塑性显著降低,综合而言：当退火工艺选择在不超过550℃/4h时,退火工艺不会对合金的综合性能造成较大影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 阻燃钛合金
• 1.1.1 国内外研究现状和阻燃钛合金发展趋势
• 1.1.2 我国阻燃钛合金发展趋势
• 1.2 Ti40阻燃钛合金的研究
• 1.2.1 Ti40合金燃烧行为的研究
• 1.2.2 Ti40合金阻燃机理的研究
• 1.3 基于实际热加工的Ti40合金的组织和结构演变的研究
• 1.3.1 Ti40热加工过程中组织演变研究
• 1.3.2 Ti40合金热加工的特点
• 1.4 本文研究内容及意义
• 第2章 试验材料及试验方法
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 铸态样品
• 2.1.2 棒材样品
• 2.1.3 环材样品
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 晶粒生长行为试验
• 2.2.2 合金固溶特性研究试验
• 2.2.3 高温拉伸试验
• 2.2.4 去应力退火试验
• 第3章 热加工过程中Ti40合金组织演变
• 3.1 不同状态合金组织随加热温度和保温时间的变化
• 3.1.1 中间态合金组织随加热温度和保温时间的变化
• 3.1.2 终锻态合金组织随加热温度和保温时间的变化
• 3.1.3 环材组织随加热温度和保温时间的变化
• 3.1.4 中间态和终锻态1000℃较长时间保温的组织变化
• 3.2 晶粒生长规律特点
• 3.2.1 晶粒平均尺寸的变化规律
• 3.2.2 晶界平直化过程研究
• 3.3 Ti40合金实际锻造过程中加工工艺的选择
• 3.3.1 加热温度的选择
• 3.3.2 保温时间的选择
• 3.4 本章小结
• 第4章 Ti40合金固溶特性和高温拉伸试验研究
• 4.1 Ti40固溶特性特点
• 4.1.1 不同样品不同加热条件下的XRD分析
• 4.1.2 不同样品不同加热条件下晶格常数
• 4.1.3 高温固溶对合金锻造性能影响
• 4.2 Ti40合金高温拉伸特性
• 4.2.1 不同状态下合金高温拉伸性能
• 4.2.2 高温晶界强度与晶内强度对比
• 4.3 本章小结
• 第5章 去应力退火对合金力学性能研究
• 5.1 不同去应力退火工艺下合金的力学性能
• 5.2 微观组织分析
• 5.2.1 金相显微组织分析
• 5.2.2 SEM断口和TEM组织分析
• 5.3 合金热稳定性和持久性能
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 发表论文