钛合金中Mo元素的强化机理及组织演变

摘要

钛及钛合金由于具有比强度高、耐腐蚀、生物相容性好等特性而被广泛应用于航空航天、石油化工以及生物医学等领域，是重要的工程结构材料之一。Mo元素是钛合金成分设计以及成分调整的主要合金元素之一，是高温钛合金、高强韧钛合金以及耐蚀钛合金中最重要的合金元素之一。但目前对钛合金中Mo元素的强化效应和塑性优化行为缺乏系统深入的研究。为此，本文通过简化成分的钛合金，系统和深入地研究Mo元素对钛合金相结构组成、组织演变、β原始晶粒长大规律、强化机制以及塑性变形行为的影响机制，并选取高Mo当量钛合金Ti-1300进行组织和强化效应的验证性试验，在对Mo元素合金化一些基本问题深入研究的基础上，为新型高性能钛合金的设计和开发提供理论参考。
　　从热力学上分析验证了Mo元素属于Ti的β同晶型稳定化元素。加工态Ti-1Mo，Ti-2Mo和Ti-4Mo合金组织由片层β相和α基体组成，Mo元素主要分布于片层β相中，随Mo元素含量的增加，片层β相逐渐在α基体长大，并按一定的晶体取向排列。Ti-15Mo和Ti-20Mo合金的组织由等轴β晶粒组成，晶粒尺寸位于50～80μm之间。Mo元素的增加使Mo原子与位错之间的交互作用增强，从而提高了合金的显微硬度。
　　Ti-xMo系合金晶粒长大行为的研究结果表明:固溶态Ti-1Mo和Ti-2Mo合金由等轴的α相组成，Ti-4Mo合金主要由针状六方马氏体α'相和原始β晶界组成;当合金Mo含量超过10％时，合金由等轴的β相组成。原始β晶粒尺寸与固溶时间呈指数关系，在固溶时间一定的条件下，原始β晶粒随固溶温度的升高而明显长大，Ti-4Mo合金晶粒长大激活能(83.50k J/mol)由于Ti-4Mo合金较弱的溶质原子牵引效应而明显的低于Ti-20Mo合金（272.16k J/mol），而Ti-4Mo合金生长指数(0.42)则由于组织中较低的位错密度而远远大于Ti-20Mo合金生长指数(0.26)。Ti-xMo合金的强度随Mo元素含量的增加以及合金晶粒尺寸的细化而获得改善，晶粒尺寸对合金的强化作用符合Hall-Petch关系式;Mo对钛合金的强化机制主要为固溶强化、细晶强化和相变强化。
　　Mo元素对Ti-6Al-xMo系合金组织和性能的研究结果表明:Ti-6Al和Ti-6Al-1Mo合金的相结构由α2相和α相组成，但密排六方结构的α相由Ti-6Al中的羽状转变为Ti-6Al-1Mo合金中的粗板条状，Ti-6Al-3Mo和Ti-6Al-5Mo合金的组织主要由拉长的等轴α相和保留的β相组成，但由于Mo元素的细化效应使Ti-6Al-5Mo合金中α相的晶粒尺寸远远小于Ti-6Al-5Mo合金。Mo元素的增加使α相的晶体结构参数也发生变化（a增加，c减小），Ti-6Al-5Mo和Ti-6Al-3Mo展现出优异的强度和塑性兼容性。
　　Ti-xMo和Ti-6Al-xMo系列合金塑性变形行为的研究表明:变形后Ti-4Mo、Ti-6Al-3Mo和Ti-6Al-5Mo合金的组织由等轴的原始β晶粒和α相组成，但β晶粒内部的α相由变形前的板条状变为变形后的针状。变形后Ti-20Mo合金的晶粒由于应变集中而逐渐被拉长成纤维状，在晶粒的内部形成形变亚晶，合金的变形方式以滑移为主;Ti-20Mo的抗拉强度和延伸率分别达到1011.30MPa和20.5％，Ti-6Al-5Mo合金由于加工硬化效应而具有最高的抗拉强度(1164.10MPa)，但塑性较差。Ti-4Mo、Ti-6Al-3Mo和Ti-6Al-5Mo合金的拉伸断口呈现出由撕裂脊包围着解理面的脆性断裂，为沿晶断裂模型，而Ti-20Mo合金断口的撕裂脊之间分布着大量较深的韧窝，呈现穿晶断裂的模式。
　　Ti-1300合金形变热处理及热强化试验结果表明:经两相区高温形变后主要由等轴的β相和球状α相组成，变形量越大，合金的晶粒破碎越充分，经淬火时效或固溶时效处理后，αp相以板条状形式存在，而αs相以细针状分布在β基体上;经淬火时效或固溶时效处理后Ti-1300合金的力学性能与高温形变态相比均获得显著的提高，这与小尺寸的αp相以及弥散析出αs相有关，Ti-1300合金形变热处理的强化效果主要是αs的析出强化;固溶态Ti-1300合金具有20％以上的延伸率和60％以上的断面收缩率使其具有优异的深度加工性能;两相区时效态Ti-1300合金具有高于1350MPa的强度性能，而延伸率也保持在12％以上，其组织主要由条状αp相、针状αs相以及β基体组成，αp相厚度随时效温度的升高而长大，针状αs相则弥散分布在β基体上;β单相区时效态Ti-1300合金的组织由针状αs相和β基体组成，合金的强度可达1640MPa，但塑性却急剧下降，这与αs相大量析出和不均匀分布有关;Ti-1300合金最佳的热加工参数为:形变温度位于750～790℃之间的两相区，变形量保持在90％左右;最佳的热处理制度为:固溶温度位于750～800℃之间的两相区，时效温度位于500～560℃之间。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 概述

1．2 钛合金的合金化原理

1．2．1 钛的合金元素

1．2．2 钛合金的固态相变

1．2．3 合金元素对钛合金平衡相转变的影响

1．2．4 合金元素对钛合金非平衡转变的影响

1．3 钛合金的显微组织特征及强化机理

1．3．1 钛合金的显微组织特征

1．3．2 钛合金的强化机理

1．4 高强高韧Ti-1300合金简介

1．5 钛合金中Mo的行为特性

1．5．1 Mo在钛合金中的溶解

1．5．2 钛合金中Mo元素行为特性的研究现状

1．6 本文研究的目的意义及内容

第2章 材料和试验方法

2．1 试验材料

2．2 实验方法

2．2．1 晶粒长大试验研究

2．2．2 塑性变形试验研究

2．2．3 形变热处理试验研究

2．2．4 热强化试验研究

2．3 分析测试方法

2．3．1 光学显微镜组织分析(OM)

2．3．2 X射线衍射分析(XRD)

2．3．3 扫描电子显微镜(SEM)及能谱(EDS)分析

2．3．4 透射电子显徽镜分析(TEM)

2．3．5 室温拉伸性能测试

2．3．6 维氏显微硬度测试

第3章 Mo对钛合金组织演变及相转变的影响

3．1 引言

3．2 Ti-Mo二元合金的相图

3．3 Ti-xMo二元合金的相转变温度

3．4 Ti-xMo二元合金中Mo元素的分布

3．5 Ti-xMo二元合金的加工态组织及显微硬度

3．6 Ti-xMo二元合金相变过程的热力学分析

3．7 本章小结

第4章 Ti-xMo二元合金晶粒长大行为试验研究

4．1 引言

4．2 β晶粒长大规律

4．3 Ti-xMo系列合金的组织结构演变

4．3．1 XRD物相分析

4．3．2 显微组织分析

4．4 Ti-xMo系列合金的晶粒长大行为

4．4．1 晶粒长大现象

4．4．2 Mo含量对合金晶粒尺寸的影响规律

4．4．3 固溶温度对合金晶粒尺寸的影响规律

4．4．4 固溶时间对合金晶粒尺寸的影响规律

4．5 晶粒尺寸对合金力学性能的影晌规律

4．5．1 Mo元素对合金室温拉伸性能的影响规律

4．5．2 晶粒尺寸对合金硬度的影响规律

4．5．3 晶粒尺寸对合金室温拉伸性能的影响规律

4．6 本章小结

第5章 Mo对Ti-6Al二元合金组织结构及性能的影响

5．1 引言

5．2 相图分析

5．3 Mo元素对Ti-6Al合金组织结构的影响

5．3．1 Mo元素对Ti-6Al合金相结构的影响

5．3．2 Mo元素对Ti-6Al合金组织形貌的影响

5．4 Mo元素对Ti-6Al合金力学性能的影响

5．4．1 Mo元素对Ti-6Al合金强度性能的影响

5，4．2 Mo元素对Ti-6Al合金塑性的影响

5．4．3 Mo元素对Ti-6Al合金弹性模量的影响

5．5 Mo元素对Ti-6Al合金断口形貌的影响

5．6 本章小结

第6章 Mo元素对Ti-xMo和Ti-6Al-xMo合金塑性变形行为的研究

6．1 引言

6．2 退火态Ti-xMo和Ti-6Al-xMo合金的显微组织

6．3 β相稳定性

6．4 Ti-xMo和Ti-6Al-xMo系列合金的力学性能及变形方式

6．5 Ti-xMo和Ti-6Al-xMo系列合金的变形组织

6．6 断裂机理分析

6．7 本章小结

第7章 高Mo当量Ti-1300合金形变热处理及热强化效应试验研究

7．1 引言

7．2 高温形变对Ti-1300合金组织和性能的影响

7．2．1 形变温度对台金显微组织的影响

7．2．2 形变量对合金显微组织的影响

7．2．3 形变温度和形变量对合金硬度的影响

7．3 形变后淬火时效和固溶时效态Ti-1300合金组织和性能

7．3．1 淬火时效和固溶时效态合金的显微组织

7．3．2 形变温度对时效态Ti-1300合金组织和性能的影响

7．3．3 形变量对时效态Ti-1300合金组织和性能的影响

7．3．4 形变温度和形变量对Ti-1300合金力学性能的影响

7．4 Ti-1300合金热强化效应

7．4．1 固溶态Ti-1300合金的显微组织和力学性能

7．4．2 时效态Ti-1300合金的显微组织

7．4．3 固溶温度对时效态Ti-1300合金显微组织和力学性能的影响

7．4．4 时效温度对时效态Ti-1300合金显微组织和力学性能的影响

7．4．5 时效时间对时效态Ti-1300合金显微组织和力学性能的影响

7．5 本章小结

第8章 结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间论文发表情况

个人简历