基于团簇结构模型的高温近α-Ti合金和高强韧近β-Ti合金成分设计与性能测试

摘要

良好的高温性能和高的强度与韧性的配合是当前各个工程领域对材料服役性能的重要要求，也是工程用合金的发展趋势。具有密排六方结构（HCP）的高温近α-Ti合金拥有优异的高温稳定性、耐腐蚀性、抗氧化性和良好的综合力学性能，从而被大量应用于飞机发动机上，而具有面心立方结构（BCC）的高强韧近β-Ti合金具有高的抗拉强度和好的断裂韧性，被广泛应用于航空锻件。然而由于成分的多元化，使得多组元固溶体合金成分的设计变得复杂化，在过去的研究工作中，前人就α-Ti合金和β-Ti分别提出了Al当量法、d-电子理论设计法、电子浓度法、BP神经网络法和Mo当量法、d-电子理论法、电子浓度法等。
　　固溶体合金中溶质原子是以化学短程有序的方式排列的，具有一定结构规律性，根据不同合金化元素之间的混合焓大小，可以将这种化学短程有序特征进行简化描述，本文即利用本组提出的“团簇加连接原子”稳定结构模型来探索高温近α钛合金和高强韧近β-Ti合金的成分规律，以获得高性能的合金成分。在此结构模型中包含团簇和连接原子两部分，与Ti混合焓越负的原子会优先占据团簇中心位置，而与Ti具有相同晶体结构和相似化学性质的同族元素会占据团簇壳层位置，其他元素作为连接原子。对于近α-Ti合金选取600℃典型高温近α-Ti合金IMI834作为原始解析合金和参比合金，进行原子替换和元素调整，得到成分通式[Al-(Ti13.7Zr0.3)](Al0.65Sn0.2Si0.1(Mo/Nb/Ta/W)0.15)；对于近β-Ti合金，选取典型高强韧近β-Ti合金Ti-55531作为原始解析合金和参比合金，调整解析后合金中原子在模型中不同部分的个数，并在其中一个系列添加Fe,得到成分通式[Al-(Ti13.9/13.7Zr0.1/0.3)](Al/Mo/V/Cr/Fe)2/2.2。
　　采用真空铜模吸铸的快冷方式，将熔炼好的相应成分的系列合金吸铸成直径为6mm的合金棒并切取多个试样，α-Ti合金系列在990℃固溶处理3个小时，然后水淬，并在665℃下进行2小的时效处理，最后空冷至室温；β-Ti合金系列在800℃固溶2个小时后空冷至室温，再进行8小时600℃的时效处理。利用XRD进行物相和组织结构分析，金相显微镜（OM）进行微观组织分析；应用显微硬度计进行硬度测试；进行抗氧化实验检测α-Ti合金系列的高温稳定性与抗氧化性能。
　　实验结果表明，在高温近α系列合金中加入Ta和W元素后，系列合金的硬度相比于参比合金得到了一定程度的提高，可以达到380-394HV，而经过固溶加时效后的合金硬度则达到了366-406HV。系列合金在双相区固溶时效处理后均得到了由等轴态α和片层状α组成的双态组织，其中Ta含量较高的合金与含有W的合金的组织中，β转变组织的晶粒大小均匀性好，等轴α的形态较好且分布均匀。在650℃的抗氧化实验中，Nb和Ta元素含量相近的合金抗氧化能力最好，650℃加热100h后氧化增重仅为180μg/cm2，且氧化层稳定，而在此基础上添加W元素后的合金的抗氧化能力也较好，不含Nb元素或Nb元素含量减小后都会使抗氧化能力降低；在800℃加热100h小时后，含有W元素的两个成分的合金具有更高的抗氧化性能，其中Ta含量高的合金的抗氧化能力最好，100h后氧化增重仅为1.1mg/cm2。在高强韧近β系列合金中，用Fe原子替换Cr后可以稳定时效后组织中的β相，同时Mo，V，Cr含量的提高也可以稳定组织中的β相；Fe元素替换Cr元素后会使硬度提升，用Zr替换Ti后会提高时效后合金的硬度。

目录

声明

1 绪论

1.1 钛合金及其应用

1.2 高温钛合金

1.3 高强韧钛合金

1.4 选题意义及本课题研究内容

2 基于团簇加连接原子结构模型的合金设计

2.1 高温钛合金结构模型及设计

2.2 高强韧钛合金结构模型及设计

3 实验方法

3.1 合金的制备

3.2 热处理工艺

3.3 X射线衍射分析(XRD)

3.4 金相组织分析(OM)

3.5 抗氧化性能测试

3.6 硬度测试

4 [Al-(Ti13.7Zr0.3)]( Al0.65Sn0.2Si0.1(Mo/Nb/Ta/W)0.15)系列合金

4.1 [Al-(Ti13.7Zr0.3)]( Al0.65Sn0.2Si0.1(Mo/Nb/Ta/W)0.15)系列合金结构与组织

4.2 抗氧化性能测试

4.3 硬度测试

4.4 本章小结

5 [Al-(Ti13.9/13.7Zr0.1/0.3)](Al/Mo/V/Cr/Fe)2/2.2系列合金

5.1 [Al-(Ti13.9/13.7Zr0.1/0.3)](Al/Mo/V/Cr/Fe)2/2.2系列合金结构与组织

5.2 硬度测试

5.3 本章小结

结论

参考文献

致谢