合金元素对铸造Ti-1100合金组织及性能影响

摘要

600℃应用的高温钛合金具有轻质、耐热、高强等优良特性，在航空航天上具有广泛的应用。当前对600℃高温钛合金的研究主要集中在变形合金上，对铸造成形600℃高温钛合金的研究比较匮乏。本论文重点研究了凝固条件与合金元素对铸造高温钛合金组织及性能的影响。首先分析了Ti-1100合金与CaO坩埚的界面反应规律。研究结果表明，熔融金属和CaO坩埚的界面反应是由坩埚轻微的化学溶解和微弱的物理侵蚀引起的。α反应层的形成机制是间隙氧原子在界面处的扩散。对Ti-1100合金和CaO坩埚反应的标准吉布斯自由能进行了计算，得到Ca和O的平衡常数和相互作用参数分别为logK=-3.14和CaOe=-3.54。
　　不同铸件模数Ti-1100试样的铸态组织均为魏氏组织，合金的原始β晶粒尺寸和α片层间距均随铸件模数的降低而下降。其中模数为2.5mm试样的原始β晶粒尺寸和α片层间距分别为249.4μm和5.3μm，与模数为5.6mm的试样相比分别下降了43.7％和22.1%。合金的显微硬度随铸件模数的降低而升高。合金的β转变温度随铸件模数的增加而降低，随升温速率的提高而增加。合金在热处理后组织仍属于典型的魏氏组织，合金的原始β晶粒尺寸和α片层间距均随铸件模数的降低而下降，合金经不同热处理后的显微硬度值均比铸态时有所提高，相同热处理条件下合金的显微硬度值均随铸件模数的降低而提高。
　　研究了不同Zr含量对铸态Ti-1100合金显微组织和力学性能的影响规律。发现Zr含量的增加对合金的组织具有细化作用。6wt.%Zr成分的合金中有TiSi和S2型硅化物析出，析出位置均在β相处。TiSi相属于正交晶型结构，与残留β相存在如下位向关系：(102)TiSi∥(11_0)β，[2_41]TiSi∥[001]β和(100)TiSi∥(101)β，[01_1]TiSi∥[1_11]β。S2型硅化物属于密排六方结构，且长轴方向与α片层的延伸方向交叉呈60°夹角。S2型硅化物与α相之间存在如下位向关系：(011_0)S2∥(21_1_0)α，[21_1_3_]S2∥[0001]α和(101_0)S2∥(12_10)α，[12_13]S2∥[1_011]α。合金的显微硬度随Zr含量的增加而增加。合金的β转变温度随Zr含量的增加而降低。合金在热处理后组织仍属于魏氏组织。不同热处理条件下合金的原始β晶粒尺寸和α片层间距均随Zr含量的增加而降低。合金在热处理后的显微硬度值与铸态合金相比均有所提高，同种热处理条件下合金的显微硬度值随Zr含量的增加而增加。
　　添加微量B元素能显著细化Ti-1100合金的凝固组织，TiB相易于沿着[010]方向生长形成针状结构以降低由于晶格畸变产生的界面能，TiB相与钛基体之间的界面比较干净且没有缺陷产生。TiB相内部沿(100)面方向出现大量的堆垛层错，这是由硼原子在TiB晶体结构（B27结构）中的位置以及TiB与Ti基体的晶格错配能引起的。铸态合金的维氏硬度值随B元素含量的增加而增加。合金的β转变温度随B含量的增加而增加。不同热处理条件下Ti-1100合金的α片层间距随B含量的增加而降低。不同成分合金在热处理后的显微硬度值与铸态合金相比均有所提高，同种热处理条件下合金的显微硬度值随B含量的增加而增加。
　　研究了Nb元素对铸造Ti-1100合金的组织和力学性能的影响规律。结果表明，Nb元素的添加对合金的组织具有细化作用并促使合金析出S2型硅化物。合金的显微硬度随Nb含量的增加先增加后降低。对含Nb钛合金的断裂韧性分析结果表明，合金的断裂韧性值随随Nb含量的增加而增加，其中Ti-1100-1.0Nb合金的断裂韧性值可达到44.5MPa·m1/2，比未添加Nb的合金提高了15.6MPa·m1/2。断裂韧性的增加可归因于晶粒细化和硅化物的析出提高了裂纹尖端扩展路径的曲折程度。含Nb和不含Nb合金的主要断裂形式均为解离断裂。不同Nb含量Ti-1100合金的热处理组织仍为魏氏组织。同种合金的原始β晶粒尺寸和α片层间距在不同热处理条件下变化不大，同种热处理条件下的原始β晶粒尺寸和α片层间距均随Nb含量的增加而降低。EBSD分析结果表明，各热处理合金中均没有出现明显的织构，合金的晶界包含小角度晶界和大角度晶界两种，其比例随热处理制度略有不同，各热处理合金在60°大角度晶界附近有β→α相变发生，形成β→α转变组织。不同成分合金在热处理后的显微硬度值与铸态合金相比均有所提高，同种热处理条件下1.0wt.%Nb成分合金的显微硬度值要低于0.5wt.%Nb成分合金的。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 高温钛合金的发展现状

1.3 高温钛合金的组织和力学性能

1.4 高温钛合金的热稳定性

1.5 钛合金的熔配技术研究现状

1.6 钛合金的铸造技术研究现状

1.7 本文主要研究内容

第2章 实验材料及研究方法

2.1 实验材料及成分设计

2.2 合金熔炼及制备

2.3 高温钛合金的热处理实验

2.4 高温钛合金的测试分析方法

第3章 凝固条件对Ti-1100合金显微组织和力学性能的影响

3.1 引言

3.2 Ti-1100合金和CaO坩埚的界面反应规律

3.3 模数对Ti-1100合金铸态组织和力学性能的影响

3.4 模数对β转变温度的影响

3.5热处理对不同模数Ti-1100合金微观组织及力学性能的影响

3.6 本章小结

第4章 Zr对Ti-1100合金显微组织和力学性能的影响

4.1 引言

4.2 Zr对Ti-1100合金铸态组织和力学性能的影响

4.3 Zr对Ti-1100合金β转变温度的影响

4.4 热处理对不同Zr含量Ti-1100合金显微组织及力学性能影响

4.5 本章小结

第5章 B对Ti-1100合金显微组织和力学性能的影响

5.1 引言

5.2 B对Ti-1100合金铸态组织和力学性能的影响

5.3 B对Ti-1100合金β转变温度的影响

5.4 热处理对不同B含量Ti-1100合金微观组织及力学性能的影响

5.5 本章小结

第6章 Nb对Ti-1100合金显微组织和力学性能的影响

6.1 引言

6.2 Nb对Ti-1100合金铸态组织和力学性能的影响

6.3 热处理对不同Nb含量Ti-1100合金显微组织及力学性能影响

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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