TC11钛合金的高温变形行为及热处理工艺对合金组织性能的影响

摘要

TC11钛合金是500℃以下热强性最好的合金,具有比强度高、中温性能好、耐腐蚀性能好等优点,在航空航天领域得到了广泛应用,主要用于制造压气机盘、叶片、环形件和紧固件等零件以及飞机结构件。本论文借助光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱分析仪、透射电子显微镜、拉伸力学性能测试以及热模拟试验等手段研究了TC11钛合金的高温变形行为及热处理工艺对合金组织性能的影响,获得如下主要研究结果:
　　 (1)采用热/力压缩模拟试验,研究了TC11钛合金的热变形行为。分析了热变形参数对该合金高温塑性变形过程中流变应力的影响,并结合热压缩变形的应力-应变曲线,求得了合金高温变形的材料常数,建立了合金高温变形流变应力本构方程。结果表明:该合金变形抗力随着变形温度的升高而降低,随应变速率的增加而升高;随着变形温度的升高,合金流变应力软化的幅度在降低,对应的峰值应变e。逐步减小,材料开始发生动态软化的时间也随之减小。
　　 (2)研究了TC11钛合金高温塑性变形过程中的变形机制,分析了合金热变形条件与变形组织间的关系。结果表明:TC11钛合金在α+β相区变形时,其软化机制主要以动态再结晶为主;在β相区变形,主要软化机制是以动态回复为主,应变速率较高时伴随有一定程度的动态再结晶;随着应变速率的减小α相尺寸逐渐增大,所占的比例逐渐减少;随着变形温度的升高初生α相逐渐粗化,并转变为β相,所占比例有所降低。
　　 (3)采用正交试验研究了固溶温度、固溶时间、时效温度和时效时间4个因素对TC11钛合金室温力学性能和显微组织的影响。结果表明:固溶温度对合金的室温强度和塑性影响最大,时效时间次之,固溶时间、时效温度的影响不显著;随着固溶温度的升高,合金的强度水平逐渐下降,延伸率和断面收缩率则先升高后下降,960℃时可获得最高的塑性;随着时效时间的延长,合金强度先降低后升高,时效4小时时可获得最高的强度,合金的塑形则逐渐上升,达到一定时间后基本保持不变,6小时和8小时都可获得高塑性;采用960℃/30min(AC)+530℃/8h(AC)的热处理制度,TC11钛合金可以得到最优的强塑性组合,其性能为抗拉强度1140 Mpa,屈服强度1048 Mpa,伸长率18.72％,断面收缩率54.90％。
　　 (4)对经不同工艺热处理后的TC11钛合金试样进行高温拉伸测试,结果表明:随固溶温度的升高,抗拉强度升高,屈服强度基本不变,而延伸率和断裂伸缩率则先升高后降低;随时效时间的延长,抗拉强度下降,而延伸率和断裂伸缩率反而升高。TC11钛合金经960℃,30min+560℃,8h热处理后,可获得最优的高温拉伸性能,在500℃高温拉伸后的力学性能为σb＝805 Mpa,σ0.2＝667MPa,δ＝22.09％,ψ＝69.67％。