钛合金表面富氧α层的形成及其对力学性能的影响

摘要

当在含氧环境中高温暴露时，钛合金表面会元素会与氧发生复杂的物理化学反应而形成氧化物，与此同时形成富氧α层。富氧α层质硬而脆，十分容易在钛合金表面形成细小的裂纹，严重影响零部件的质量，一些零部件的失效往往和富氧α层有关。
　　本文以TA15、TC4和TA2钛合金为研究对象，设置不同的热处理温度和保温时间，探究不同热处理工艺下钛合金表面富氧α层的厚度随着温度和保温时间变化的增长规律，并利用金相法和显微硬度法对富氧α层的厚度进行测定，对比和分析两种方法测定富氧α层厚度的优缺点。研究钛合金富氧α层的金相组织演化，研究富氧α层的形成动力学，得到了富氧α层厚度与加热温度和加热时间的联系。研究了富氧α层对钛合金拉伸性能及断裂机制的影响规律。
　　利用金相法和显微硬度法均可对富氧α层厚度进行表征，结果表明金相法测得的富氧α层厚度小于显微硬度法。显微硬度法能够通过硬度值的不同准确的反映材料组织的变化，进而能够更准确的表征出富氧α层的厚度。对于组织结构单一或富氧程度较轻的组织，金相法误差较大。而对于富氧α层厚度较小的情况，显微硬度法存在无法测厚或误差较大的缺点。
　　三种类型的钛合金富氧α层形成与组织演化过程的研究表明。TA2钛合金表现为α相的粗化和融合。TA15钛合金表现为条状α相的粗化、球化和融合。TC4钛合金表现为双态组织中条状α相的长大、球化和与等轴α相的融合。
　　富氧α层的增厚符合抛物线规律，本文根据实验结果建立了保温温度和保温时间的富氧α层增厚方程。分别计算了三种钛合金在不同保温温度下，氧元素的扩散系数。通过阿累尼乌斯方程，计算了三种钛合金的富氧α层形成的热激活能。TA2合金的热激活能101.6kJ/mol，TA15合金热激活能为146.5kJ/mol，TC4合金热激活能为161.04kJ/mol。材料的热激活能越低，富氧α层越容易形成。
　　富氧α层的存在对三种牌号钛合金的力学性能均有较大影响。富氧α层的形成导致内部拉应力的存在，这部分拉应力的切应力分量在拉伸过程中会导致钛合金过早屈服。富氧α层的存在同时导致非单相结构的钛合金组织塑性变形不能协调进行，材料不能均匀塑性变形，相当于过早进入颈缩状态而塑性大幅下降。断口SEM观察则清晰的表明了富氧α层的存在改变了钛合金的断裂行为。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 钛与钛合金

1.3 钛合金的富氧α层

1.4 本文的主要研究内容

第2章 试验材料和研究方案

2.1 试验材料

2.2 研究方案

2.3 实验方法

第3章 钛合金富氧α层检测方法的研究

3.1 引言

3.2 钛合金富氧α层组织特征

3.3 金相法测定钛合金富氧α层厚度

3.4 显微硬度法测定钛合金富氧α层厚度

3.5 金相法与显微硬度法测定富氧α层厚度方法对比

3.7 本章小结

第4章 钛合金富氧α层的形成动力学

4.1 引言

4.2 不同类型钛合金富氧α层形成过程

4.3 钛合金富氧α层的增厚动力学

4.4 本章小结

第5章 富氧α层对钛合金拉伸性能的影响

5.1 引言

5.2 不同厚度富氧层对钛合金力学性能的影响

5.3富氧α层对钛合金断裂行为的影响

5.4 本章小结

结论

附 录 富氧α层厚度观察检测及拉伸试验数据

参考文献

声明

致谢

个人简历