TC11钛合金等温相变行为及强韧化热处理工艺

摘要................................................................................................................................ I Abstract ............................................................................................................................. I I

第1章绪论 (1)

1.1 引言 (1)

1.2 高温钛合金 (2)

1.3 钛合金相变热力学与动力学 (4)

1.3.1 相图计算的热力学模型 (5)

1.3.2 相图计算常用软件 (6)

1.3.3 等温相变动力学 (7)

1.4钛合金的热处理工艺与组织调控 (9)

1.5钛合金的高温变形行为 (12)

1.5.1 高温力学行为 (12)

1.5.2 热变形过程中的软化机制 (14)

1.5.3 高温本构模型 (14)

1.6 本文研究目的和主要内容 (18)

第2章试验材料与研究方法 (20)

2.1 试验材料 (20)

2.2 相变热力学计算与测试 (20)

2.2.1 相图热力学计算 (20)

2.2.2 相变点测定 (20)

2.2.3 相变动力学模型 (21)

2.3 热处理试验 (21)

2.4 组织观察与分析 (21)

2.4.1 金相组织观察 (21)

2.4.2 XRD物相分析 (22)

2.4.3 扫描与能谱分析 (22)

2.4.4 透射电镜分析 (22)

2.4.5 电子背散射衍射分析 (22)

2.4.6 显微组织定量分析 (23)

2.5 力学行为与模型 (23)

-IV-

2.5.1 室温拉伸性能测试 (23)

2.5.2 高温拉伸性能测试 (24)

2.5.3 显微硬度测试 (24)

2.5.4 冲击韧性测试 (25)

2.5.5 热变形本构模型 (25)

第3章原始态TC11钛合金的组织与性能 (27)

3.1 原始组织表征 (27)

3.2 室温拉伸力学行为 (31)

3.2.1 室温拉伸性能 (31)

3.2.2 加工硬化行为 (31)

3.3 β相变点测定 (32)

3.3.1 等轴化预处理 (32)

3.3.2 相变点测定 (34)

3.4 本章小结 (36)

第4章TC11钛合金等温相变热力学与动力学研究 (37)

4.1 相图热力学计算 (37)

4.1.1 温度对各相吉布斯自由能的影响 (37)

4.1.2 温度对各相比例的影响 (38)

4.1.3 温度对各相成分的影响 (39)

4.2 等温相变动力学研究 (40)

4.2.1 700℃下合金的等温相变行为 (41)

4.2.2 800℃下合金的等温相变行为 (44)

4.2.3 900℃下合金的等温相变行为 (46)

4.2.4 950℃下合金的等温相变行为 (49)

4.2.5 等温相变动力学模型 (51)

4.3 本章小结 (55)

第5章TC11钛合金热处理工艺设计与组织控制 (56)

5.1 单重热处理工艺设计与组织性能表征 (56)

5.2 双重热处理工艺设计与组织表征 (58)

5.2.1 一次热处理温度对组织的影响 (58)

5.2.2 一次热处理时间对组织的影响 (60)

5.2.3 二次热处理温度对组织的影响 (62)

5.2.4 二次热处理时间对组织的影响 (63)

-V-

5.3 双重热处理态力学性能与工艺优化 (65)

5.3.1 双重热处理优化工艺设计与组织表征 (65)

5.3.2 力学性能表征及优化工艺 (69)

5.4 循环热处理工艺设计与组织性能表征 (71)

5.5 不同热处理方式对合金室温性能的影响 (73)

5.6 本章小结 (73)

第6章TC11钛合金的高温拉伸行为与性能指标 (75)

6.1 原始态合金高温拉伸行为 (75)

6.2 原始态合金热变形本构模型 (79)

6.2.1 高温加工硬化行为 (79)

6.2.2 高温变形过程中的软化机制 (82)

6.2.3 高温拉伸本构方程 (83)

6.3 不同热处理方式对合金高温性能的影响 (85)

6.4 热处理态合金的热变形本构模型 (87)

6.4.1 高温加工硬化行为 (87)

6.4.2 高温变形过程中的软化机制 (89)

6.4.3 高温拉伸本构方程 (90)

6.5 本章小结 (90)

结论 (92)

参考文献 (94)

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 (99)

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (100)

致谢 (101)

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第1章绪论

1.1 引言

钛合金因其密度小、强度高、无磁、耐蚀等诸多优点，以及形状记忆、储氢、超导、生物相容四大特殊功能，被视为继铁、铝之后尚处于发展中的第三金属和战略金属。与其它作为结构材料的金属相比，钛具有比强度高的优点，其值在常温下高于超硬铝，甚至比高强度结构钢的比强度还大。在400-500℃环境下，钛合金的疲劳强度、蠕变强度以及持久强度都明显高于耐热不锈钢。钛不仅作为结构材料应用于航空航天领域，而且在石油、化工、医疗等领域中也得到广泛应用，创造了巨大的社会效益和经济效益，且在国防领域和国民经济的发展中占有极为重要的地位和作用[l]。

钛及钛合金的应用领域日趋广阔，总产量和使用量日渐增加，但迄今为止，应用前景最好、使用量最大的仍然是于航空航天领域中广泛使用的高温钛合金。目前，高温钛合金以近α钛合金为主，其中Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系合金占据主导地位，一些α+β钛合金也具有较优的高温性能，是高温钛合金的另一重要组成部分。在双相钛合金中，TC11钛合金的工作温度为500℃，是目前使用量最大，应用范围最广的热强钛合金。

材料的组织决定性能，由于钛合金热加工的多样性，造成有若干显微组织类型。对于两相钛合金，一般可以分为：等轴组织、魏氏组织、网篮组织、双态组织以及三态组织。其中魏氏组织具有疲劳裂纹扩展速率低和断裂韧性高的优点[2, 3]，且其室温强度与其他组织相当，甚至略高，但由于魏氏组织塑性差，特别是其断面收缩率远低于其他组织，导致其综合性能不佳。α+β型钛合金在铸造、焊接、β锻造、β热处理的状态下均易得到粗大的片状魏氏组织，即组织在实际热加工过程中极易出现，以此为出发点进行研究，具有重大的现实意义。

本课题以TC11钛合金作为研究对象，针对其供货态魏氏组织综合性能差、热处理工艺设计依据不足等问题，进行相图热力学计算、等温相变行为研究，并进行工艺设计及优化，通过对合金进行室温、高温拉伸试验，探讨微观机制，并建立本构方程。通过上述研究，以期能够为热处理工艺设计中温度和时间的选择提供依据、获得热处理工艺参数对合金组织和性能的影响规律，深入了解合金在热变形过程中能够的微观机制，提高合金的高温性能。

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