异步热轧及热处理对钛及钛合金组织性能影响

摘要

钛及钛合金以优异的性能广泛应用于航空航天、航海、军用装备、医疗器械等尖端科学领域，被誉为“第三金属”和“战略金属”。为进一步提高钛合金的性能，细晶强化作为同时提高材料强塑性的有效手段越来越引起人们的关注。在材料加工过程中，主要通过剧烈塑性变形(SPD)以及热机械过程(TMCP)两种方式来改善组织细化晶粒。从工业生产的角度出发，异步热轧技术是可以将两种手段的特点相结合的加工方式。一方面借助异步轧制过程中形成的“搓轧区”，实现剧烈塑性变形，破碎晶粒细化组织;另一方面在热轧改善了钛合金密排六方结构难变形的问题，并通过再结晶以及后续冷却控制晶粒尺寸。异步热轧技术在轧制铝合金方面取得良好的效果，而对于异步热轧在钛合金中的应用则鲜有报道。因此本文对异步热轧技术在钛及钛合金中的应用进行了初步探索研究。
　　本文以工业纯钛TA2及钛合金TC4作为研究对象，利用东北大学RAL国家重点实验室研制的新型400mm二辊异步热轧实验机和450mm异径异步热轧实验机，研究异步热轧及热处理工艺参数对钛及钛合金显微组织和力学性能的影响规律，论文主要研究工作及结果如下:
　　(1)通过差热分析法测定了实验用TA2的α/β相变点温度为899℃，TC4的α+β/β相变点温度为991℃。通过钛及钛合金的晶粒粗化实验表明，在低于β相变点以下加热时，晶粒尺寸随加热温度升高而增大，但未发现明显粗化。因此加热温度可以选择较高的温度，为后续热变形提供便利。
　　(2)利用热模拟实验机研究了变形参数对TA2和TC4再结晶行为、组织以及硬度的影响。结果表明:在热变形过程中，TA2以动态回复为主，而TC4则发生了动态再结晶，有利于热变形过程晶粒细化。随变形温度降低、应变速率增大，TA2和TC4变形抗力不断增大，晶粒发生细化，显微硬度值升高。因此，在热变形过程中，在相变点以下进行加热，采用低温、大压下以及大应变速率进行变形，有利于获得综合性能优良的钛及钛合金。
　　(3)利用异步热轧机开展了TA2和TC4异步热轧实验。结果表明:在其他条件相似情况下，采用异速比为1.2光辊轧制与同步轧制过程相比，TA2轧制力降低了35.6％，TC4轧制力降低了17.3％。与异步光辊轧制相比，采用表面毛化轧辊轧制时，异步速比对TC4组织性能影响明显，采用异步速比为1.2热轧，退火处理后TC4强度比同步轧制抗拉强度提高98MPa，屈服强度提高39MPa。
　　(4)异步热轧时采用可逆轧制较单向轧制更有利于细化晶粒。异步热轧TC4过程中采用轧程间淬火可以为下一阶段变形储存畸变能，提供再结晶形核点，有利于细化组织，提高综合性能。
　　(5)通过异步热轧及退火处理方式，采用毛化轧辊，大异速比三轧程轧制，轧程间采用淬火的方式，在实验室条件下可获得良好综合性能，TA2板材抗拉强度为559MPa、屈服强度为423MPa、延伸率为31.0％，TC4板材抗拉强度为1102MPa、屈服强度为960MPa、延伸率为12.1％，其力学性能指标明显高于国标。
　　(6)对异步热轧后的TA2和TC4板材进行热处理工艺研究，探索异步热轧条件下最佳热处理工艺。结果表明:低温退火有利于保持热轧态下细小的等轴晶粒组织，同时消除变形带，使组织均匀。TA2最佳退火工艺为580℃，30min。TC4两相区固溶处理，高温短时间固溶有利于形成更多的亚稳相，有利于后续时效过程析出更多的弥散相。在相同固溶处理条件下，高温短时间时效和低温长时间时效有利于二次相析出，提高异步热轧TC4的强度。TC4最佳热处理工艺为900℃、20min固溶处理，430℃、6h时效处理或530℃、3h时效处理。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 钛及钛合金概述

1．2．1 钛合金的特点

1．2．2 钛合金的分类

1．2．3 工业纯钛TA2

1．2．4 钛合金TC4

1．2．5 钛及钛合金的热处理与组织性能的关系

1．3 异步轧制技术

1．3．1 异步轧制技术的特点

1．3．2 异步轧制原理

1．4 异步轧制技术国内外研究现状

1．5 本论文的意义

1．6 本论文研究的主要内容

第2章 钛及钛合金高温变形行为

2．1 实验材料及方法

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验方法

2．2 TA2和TC4的相变点测试结果

2．3 TA2和TC4的晶粒粗化研究

2．4 TA2和TC4的热变形过程中的应力应变状态

2．4．1 变形温度对流变应力的影响

2．4．2 应变速率对流变应力的影响

2．5 变形工艺及冷却方式对TA2和TC4显微组织的影响

2．5．1 变形温度对TA2和TC4显微组织的影响

2．5．2 变形速率对TA2和TC4显微组织的影响

2．5．3 变形量对TA2和TC4显微组织的影响

2．5．4 冷却方式对TA2和TC4显微组织的影响

2．5．5 中间冷却方式对TA2显微组织的影响

2．6 热变形条件对TA2和TC4显微硬度的影响

2．7 本章小结

第3章 异步热轧对钛及钛合金组织性能的影响

3．1 引言

3．2 实验设备及方法

3．2．1 实验设备

3．2．2 实验材料

3．2．3 实验方法

3．3 不同异速比对TA2和TC4组织性能影响

3．3．1 不同异速比对TA2和TC4轧制力的影响

3．3．2 不同异速比对TA2和TC4显微组织影响

3．3．3 不同异速比对TA2和TC4力学性能的影晌

3．4 轧辊表面毛化对TA4和TC4组织性能影响

3．5 终轧温度对TA2和TC4组织性能影响

3．5．1 终轧温度对TA2组织性能影响

3．5．2 终轧温度对TC4组织性能影响

3．6 轧制方向对TC4组织性能影响

3．6．1 轧制方向对TC4的显微组织的影响

3．6．2 轧制方向对TC4的力学性能的影响

3．7 中间淬火对TC4组织性能影响

3．7．1 中间淬火对TC4的显微组织的影晌

3．7．2 中间淬火对TC4的力学性能的影响

3．8 冷却方式对TA2退火后组织性能影响

3．8．1 冷却方式对TA2显微组织的影响

3．8．2 冷却方式对TA2力学性能的影响

3．9 压缩比对TA2和TC4组织性能影响

3．9．1 压缩比对TA2组织性能影响

3．9．2 压缩比对TC4组织性能影响

3．10 TA2的电子背散射衍射分析

3．11 本章小结

第4章 热处理工艺对异步热轧钛及钛合金组织性能影响

4．1 引言

4．2 实验方法

4．3 热处理实验方案

4．3．1 TA2退火实验方案

4．3．2 TC4固溶时效处理方案

4．4 退火处理对TA2组织性能的影响

4．4．1 退火温度对TA2组织性能影响

4．4．2 退火时间对TA2组织性能影响规律

4．5 固溶时效处理对TC4组织性能影响

4．5．1 固溶时效对TC4显微组织的影响

4．5．2 固溶时效处理工艺对TC4力学性能影响

4．5．3 TC4的固溶时效处理最佳工艺

4．6 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢