ZrTiAlV电场辅助热处理-高压扭转及电场辅助挤压组织与性能

摘要

锆及锆合金由于具有良好的抗辐照损伤性能和抗原子氧侵蚀性能，优异的抗腐蚀性能和结构尺寸稳定性，在抗交变温度的工程精密零部件领域具有广泛的应用前景，是制作空间飞行器活动构件的理想材料。ZrTiAlV四元合金是具有优异力学性能的锆合金体系，但是由于强度很高，且熔炼过程中晶粒尺寸粗大造成其塑性变形能力很差、机械加工成形也较为困难，只能制备形状简单的构件，这极大的限制了它的工业应用。
　　本文提出电场辅助热处理结合高压扭转的ZrTiAlV合金细晶处理工艺及电场辅助挤压成形工艺，并确定了这两种工艺的基本工艺过程及工艺条件。研究 ZrTiAlV合金在电场辅助热处理-高压扭转和电场辅助挤压条件下的微观组织演变规律，及变形条件对对制品组织性能的影响，目的是细化 ZrTiAlV合金微观组织，提高其塑性变形能力，改善其综合力学性能。
　　采用锻造开坯-电场辅助热处理-高压扭转-电场辅助热处理相结合的强变形工艺，研究 ZrTiAlV合金在不同工艺条件下的相和微观组织演化规律。研究600℃、700℃和800℃不同温度电场辅助热处理的锻造开坯坯料在不同压力(3GPa~5GPa)、不同扭转圈数(1圈~2圈)高压扭转条件下微观组织和相构成的演变规律；研究高压扭转后，700℃和800℃不同温度电场辅助热处理条件下微观组织的演变规律。在700℃电场辅助热处理-5GPa高压扭转-800电场辅助热处理的工艺条件下，获得了晶粒尺寸在120μm左右的较为细小均匀的等轴形β相晶粒组织。
　　针对ZrTiAlV合金制品的后续工程应用，提出电场辅助挤压成形工艺，研究电场辅助成形状态下材料的变形行为、温度场和应力应变场的分布规律。在800℃~850℃的较低温度下、变形时流动应力小于28MPa的条件下，实现合金制品的近净挤压成形。边缘位置强度由1580MPa降低至1185MPa，而延伸率提高至7.3％。采用有限元模拟方法，逆向推导了材料流动应力随温度的变化曲线，对47Zr-45Ti-5Al-3V合金环状制品正反复合挤压过程进行了有限元模拟，得到了温度场、应力场和应变场的分布规律。
　　研究ZrTiAlV合金强变形及热处理过程中的相变过程、晶粒的破碎机制和位错的产生规律，分析强变形材料在加热过程中晶粒的再结晶规律，探讨ZrTiAlV合金电场辅助热处理-高压扭转过程中晶粒的细化机制。
　　通过本文的研究，初步建立起电场辅助热处理与高压扭转工艺相结合的ZrTiAlV合金晶粒细化工艺，从而有效细化 ZrTiAlV合金的晶粒尺寸，缩短热处理时间，提高材料的塑性和韧性，保证合金具有良好的综合力学性能，为 ZrTiAlV合金进一步研究和工程应用提供依据。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 锆合金材料的研究进展

1.3 锆合金性能研究进展

1.4 本文主要研究内容

第2章 材料及试验方法

2.1 引言

2.2 材料制备

2.3 材料加工处理工艺与设备

2.4 材料组织性能测试与分析

第3章 ZrTiAlV合金高压扭转变形及电场辅助热处理

3.1 引言

3.2电场辅助热处理及高压扭转工艺

3.3第一次热处理后的微观组织及相构成

3.4高压扭转及第二次热处理后的相和微观组织

3.5 本章小结

第4章 ZrTiAlV合金电场辅助挤压成形及模拟

4.1 引言

4.2电场辅助正反挤压装置

4.3 挤压成形试验结果

4.4 电场正反复合挤压成形的有限元模拟

4.5 本章小结

第5章 ZrTiAlV合金的细化机制及变形机理

5.1 引言

5.2 ZrTiAlV合金的相变过程与机制

5.3 ZrTiAlV合金高压扭转晶粒的断裂机理

5.4 EBSD再结晶规律分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢