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Incoloy825圓鋼鍛件基于Ti40和WSTi3515S合金工程化大規(guī)格坯料鍛造過程中的組織演化行為,建立了Ti-V-Cr系阻燃鈦合金晶粒細(xì)化物理模型。Ti-V-Cr系阻燃鈦合金的晶界破碎再結(jié)晶機制表明,鍛造過程中依靠晶界處的變形,在晶界形成亞晶,當(dāng)亞晶與母晶粒的位向差超過一定數(shù)值時,出現(xiàn)從母晶粒上分離的再結(jié)晶晶粒,這些晶粒在隨后的加熱保溫過程中長大,促使組織細(xì)化和均勻化。大晶粒和強固溶強化效果是Ti-V-Cr系阻燃鈦合金出現(xiàn)晶界破碎再結(jié)晶機制的主要的原因,這導(dǎo)致阻燃鈦合金在鍛造過程中極易產(chǎn)生沿晶界和相界的開裂。
WSTi3515S合金的熱處理組織演化行為研究結(jié)果表明,在900℃以下退火,WSTi3515S合金的組織差別不大,力學(xué)性能變化不明顯;退火溫度超過900℃時,晶界小晶粒開始明顯長大,并向原始晶粒擴展。WSTi3515S合金中主要有4種析出相:Ti2C、（TiV）C、Ti5Si3和α相。當(dāng)加熱溫度為900950℃時,WSTi3515S合金鍛態(tài)組織開始發(fā)生明顯改變;溫度為9501000℃時,雞爪型（TiV）C開始溶解;溫度為10001050℃時,點狀顆粒Ti5Si3開始溶解;溫度升高到1200℃以上時,球狀Ti2C發(fā)生溶解;在570℃熱暴露過程中,在晶界處析出少量的第二相導(dǎo)致WSTi3515S合金熱暴露塑性顯著降低?；跈M向“九點對稱中分（NPSM）”和縱向“圓周面五點均分（LCFA）”取樣測試分析方法,以及X射線實時成像檢測（XRI）結(jié)果表明,采用4次真空自耗電弧熔煉技術(shù)可以解決Ti-V-Cr系阻燃鈦合金大型鑄錠的成分偏析問題;大尺寸板坯的力學(xué)性能結(jié)果表明:借助大型擠壓機和大型快鍛機可以有效控制阻燃鈦合金工程化板坯的組織和性能均勻性。WSTi3515S合金的室溫拉伸、硬度、沖擊和540oC高溫拉伸等性能與Ti40合金相當(dāng),但540℃高溫蠕變、高溫持久以及熱穩(wěn)定性等熱強性能較好;V和C元素對Ti-V-Cr系阻燃鈦合金的熱強性能影響顯著,且C元素還具有促進晶粒細(xì)化的作用。Ti-V-Cr系阻燃鈦合金的熱物理性能測試結(jié)果及采用小二乘法原理擬合獲得的數(shù)學(xué)方程表明,在室溫到600℃范圍內(nèi),WSTi3515S和Ti40合金的熱物理性能受溫度的影響變化規(guī)律曲線比較穩(wěn)定,泊松比m隨溫度的變化不明顯,楊氏模量E和剪切模量G隨著溫度的升高呈線性緩慢下降,比熱Cp隨著溫度的升高呈拋物線增加,熱擴散率D和熱導(dǎo)率K隨著溫度的升高呈線性增加,線性熱膨脹率ΔL/L0和平均線性熱膨脹系數(shù)a隨著溫度的升高呈拋物線增加。
作為高推比空發(fā)動機的重要構(gòu)件之一,鈦合金雙性能整體葉盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造已被各空大國視為*發(fā)動機的發(fā)展方向之一。其中,定量控制片狀組織的球化演變是制造鈦合金雙性能整體葉盤的核心技術(shù)。因此,在對兩相區(qū)熱加工過程中組織演變進行觀察和分析的基礎(chǔ)上,深入研究片狀組織動態(tài)球化過程中的組織演變機理,建立片狀組織動態(tài)球化的預(yù)測模型,研究變形后熱處理過程中片狀組織演變的規(guī)律和機制,建立組織中微觀組織特征參數(shù)與高溫拉伸性能間的預(yù)測模型,均具有重要的學(xué)術(shù)研究價值和工程實際應(yīng)用價值。本文以空發(fā)動機重要選用材料之一的TC17鈦合金為研究對象,以實驗和理論分析為主,輔以有限元數(shù)值模擬的研究思路,對熱加工過程中片狀組織的球化演變過程進行了深入研究,主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下:與之前研究多采用熱模擬壓縮試驗研究鈦合金組織球化行為不同,本研究以5kg級TC17鈦合金圓餅為研究對象,研究了初始組織為片狀組織的TC17鈦合金的動態(tài)球化過程中組織演變,對TC17鈦合金動態(tài)球化機制及β相在球化過程中發(fā)生的組織變化進行了探討,并討論了α相與β相間的Burgers關(guān)系變化。研究表明:變形初期片狀組織內(nèi)部首先在動態(tài)回復(fù)作用下形成位錯亞結(jié)構(gòu),亞晶界均為小角度晶界。隨著變形的增大,在應(yīng)力集中較為嚴(yán)重的部位,亞晶界轉(zhuǎn)化為大角度晶界導(dǎo)致片狀α的破裂。為了降低表面能,破碎α相的相界通過擴散作用繼續(xù)遷移,終實現(xiàn)α相的球化。在熱變形過程中,基體β相也會發(fā)生明顯的連續(xù)再結(jié)晶。在此過程中,α相起到第二相的作用,并在其周圍塞積大量位錯。隨著變形程度的不斷增加,這些位錯轉(zhuǎn)變?yōu)榉指罨wβ相的亞晶界。因此當(dāng)β相終發(fā)生再結(jié)晶后多以α相顆粒為邊界。當(dāng)變形溫度足夠高時,β相會有很高的再結(jié)晶和長大速度。熱變形破壞了TC17合金初始片狀組織中α相和β相間嚴(yán)格的Burgers關(guān)系,片狀組織的穩(wěn)定性遭到破壞。熱變形過程中α相和β相均發(fā)生較為明顯的位向變化,這是造成α相與β相間嚴(yán)格Burgers關(guān)系破壞的根本原因。
在熱模擬壓縮試驗和定量金相技術(shù)的基礎(chǔ)上,定量地研究了變形過程中熱變形參數(shù)對片狀組織球化的影響,以Avrami方程的形式建立了可應(yīng)用于工程實際的、定量考慮工藝參數(shù)對微觀組織演變影響的動態(tài)球化預(yù)測模型。通過二次開發(fā),將所建模型以子程序形式嵌入商用有限元模擬軟件Deform-3D,從而實現(xiàn)了組織演變預(yù)測和工藝參數(shù)優(yōu)化的功能。對比分析大規(guī)格臺階形工件等溫鍛造試驗后不同部位的顯微組織及其對應(yīng)的有限元模擬的結(jié)果發(fā)現(xiàn),所建立模型可以合理地預(yù)測熱變形過程中的動態(tài)球化體積分?jǐn)?shù)變化(其百分比誤差低于14.3%),這也驗證了所建模型的準(zhǔn)確性和可靠性。通過對經(jīng)不同變形量等溫鍛造后的TC17鈦合金餅坯進行熱處理實驗,研究了熱處理過程中片狀α相的組織演變規(guī)律,研究了應(yīng)變量和熱處理時間對片狀組織演變的影響,探究熱處理過程中片狀組織演變的主要機理。研究發(fā)現(xiàn):應(yīng)變量和熱處理時間對熱處理過程中的片狀組織演變均有較大影響。變形量的增加和熱處理時間的延長均有利于片狀組織的進一步球化轉(zhuǎn)變。熱處理過程中的片狀組織演變可以分為兩個階段,個階段發(fā)生在熱處理初期,主要受晶界分離機制影響;第二個階段發(fā)生在中后期的長時間熱處理過程中,主要影響機制是組織粗化機制。采用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,建立了顯微組織特征參數(shù)與高溫拉伸性能間的定量預(yù)測模型。模型以微觀組織特征參數(shù)(初生α相體積分?jǐn)?shù)、初生α相Feret ratio和次生α相體積分?jǐn)?shù))作為輸入?yún)?shù),以高溫拉伸性能(抗拉強度、屈服強度、延伸率和斷面收縮率)作為輸出參數(shù)。隨后,采用非訓(xùn)練樣本的試驗結(jié)果對所建模型進行驗證。其中高溫抗拉強度的大誤差為5.7MPa,高溫屈服強度間的大誤差為6.2MPa,延伸率和斷面收縮率預(yù)測值與實驗值間的大相對誤差均小于9%。以上結(jié)果表明本研究所采用的建模方法是可行的,所建模型具有較高的預(yù)測精度,基本可滿足工程應(yīng)用的需要。
γ-TiAl合金是新型的輕質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)材料,具有低密度、高比強度、高比剛度、優(yōu)異的抗氧化及抗蠕變性能,在空天及汽車制造領(lǐng)域應(yīng)用前景。為了追求更高的服役溫度,Nb添加成為TiAl合金的重要發(fā)展趨勢之一。高鈮TiAl合金是我國自主研發(fā)的TiAl合金體系,使用溫度高達(dá)850oC。然而微觀偏析嚴(yán)重、組織均勻性差、顯微織構(gòu)強烈以及開裂傾向大等問題限制了高鈮TiAl合金的應(yīng)用。本文以Ti-45Al-8.5Nb-0.2W-0.2B-0.02Y合金為研究對象,對高鈮TiAl合金由高溫至低溫的組織演化行為進行了系統(tǒng)的研究,分析了微觀偏析、組織均勻性、顯微織構(gòu)的影響因素及演變規(guī)律。
基于高鈮TiAl合金的相變規(guī)律提出了一種新凝固組織調(diào)控方法,并對該方法下的組織演化行為進行了研究。本文的主要研究內(nèi)容和所取得的創(chuàng)新性成果如下:分別對包晶凝固的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金以及β凝固的Ti-45Al-8.5Nb-（W,B,Y）合金進行了糊狀區(qū)循環(huán)處理,結(jié)果表明該處理方法的晶粒細(xì)化效果對凝固路徑極為敏感。在電磁攪拌和熱循環(huán)作用下,Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的α相發(fā)生了重熔與破碎,由粗大的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰?guī)則的枝晶碎片、繼而呈現(xiàn)出薔薇狀形貌,終熟化變?yōu)槌叽缇鶆蚯驙罹?從而使片層團尺寸由35mm減小至250μm。對于Ti-45Al-8.5Nb-（W,B,Y）合金而言,循環(huán)處理改變了初生β相的形貌,并未對α相產(chǎn)生細(xì)化效果,因此對片層團尺寸無顯著影響研究了不同凝固速率條件下Ti-45Al-8.5Nb-（W,B,Y）合金的組織演化行為。結(jié)果表明:Ti-45Al-8.5Nb-（W,B,Y）合金在凝固時發(fā)生了顯著的凝固偏析。隨著凝固速率的降低,B2相含量減小,初生β相形貌演化規(guī)律為:近片層組織（無枝晶形貌）→粗大不規(guī)則枝晶→邊緣處的粗枝晶和芯部的細(xì)枝晶。凝固偏析導(dǎo)致了合金由單一的β凝固變?yōu)橹Ц傻?beta;凝固以及枝晶間的包晶凝固,從而形成了不均勻的顯微組織,表現(xiàn)為“枝晶間的粗化”以及“枝晶干的細(xì)化”。隨著凝固速率的降低平均片層團尺寸增大,當(dāng)凝固速率為10oC/min時,片層團尺寸不均勻;由于Al、Nb含量的差異形成了不均勻的片層間距,枝晶間片層間距明顯寬于枝晶干片層間距。枝晶間的微裂紋以及不均勻的顯微組織加劇了Ti-45Al-8.5Nb-（W,B,Y）合金的開裂傾向。采用高溫激光共聚焦顯微鏡研究了Ti-45Al-8.5Nb-（W,B,Y）合金的β→α相變行為。在該相變過程中,α相的形核位置與冷速密切相關(guān):快冷時（22.6oC/s）,α相在β晶界以及TiB上均可發(fā)生形核;慢冷時（1oC/s和0.1oC/s）,α相以TiB為核心形核長大。冷卻速率顯著影響α相的形貌:快冷時,大多數(shù)α相呈現(xiàn)出魏氏體形貌,具有特定的生長取向;慢冷時,大多數(shù)α相以Ti B為形核質(zhì)點球狀生長,呈現(xiàn)出等軸形貌,無擇優(yōu)取向。采用EBSD研究了Ti-45Al-8.5Nb-（W,B,Y）合金在β→α相變過程中的顯微織構(gòu)演化規(guī)律及機制。
Incoloy825圓鋼鍛件結(jié)果表明:隨著冷速的降低,顯微織構(gòu)含量減少。在該相變過程中,TiB由β相中析出,兩者符合位相關(guān)系:{011}β‖（001）B27,<111>β‖[010]B27;同時,α相與Ti B存在兩類不同的位相關(guān)系,可分別形成Burgersα相以及非Burgersα相。Burgersα和非Burgersα相之間存在競爭生長關(guān)系,快冷時非Burgersα相生長被抑制;慢冷時Burgersα相和非Burgersα相均可充分長大。提出了一種新的高鈮TiAl合金凝固組織控制方法,即凝固過程中兩步恒溫處理（Two-step isothermal Treatment,TIT）。TIT由β單相區(qū)的短時保溫(1st IT)以及略高于Tα+β的保溫(2nd IT)兩步組成。1st IT可消除合金中的包晶α相,保證合金整體以β凝固路徑發(fā)生相變,從而消除凝固偏析,使組織均勻性得到改善。2nd IT可消除片層團界面處呈連續(xù)網(wǎng)狀分布的β偏析,并且少量的殘余B2相可釘扎α晶粒防止片層團的粗化。與此同時,在2nd IT過程中發(fā)生了魏氏體α相的破碎與球化以及等軸α相的形核與生長,形成了等軸細(xì)小且尺寸均勻的片層結(jié)構(gòu)。此外,Al、Nb元素的充分?jǐn)U散為非Burgersα的生長提供了條件,從而使顯微織構(gòu)含量減少,片層界面的取向更加隨機,從而提高了合金的力學(xué)性能,減小了開裂傾向。