β-ZrTiAlV合金固态相变行为研究

摘要

金属锆具有优异的抗辐照损伤和抗原子氧侵蚀的性能。锆的膨胀系数小，从而具备在交变温度环境下服役的潜质。相比于目前航天飞行器活动构件中大量使用的合金钢和钛合金，锆在空天领域具有更大的应用潜力。由于钛锆无限互溶，在锆金属基体中添加钛元素既能固溶强化合金，又能降低合金的密度，从而满足作为结构材料轻质高强的要求。因此，锆钛基合金在航空航天方面具有非常广阔的应用前景。　　本文以一种新开发的β-51.1Zr40.2Ti4.5Al4.2V (wt.%) 合金为研究对象，综合使用EBSD、ECC、XRD、OM和显微硬度等手段系统研究了β-ZrTiAlV合金炉冷过程中的组织特征、原始 β 晶粒尺寸对 α变体选择的影响以及室温压缩组织演变规律。研究结果表明：　　β-ZrTiAlV合金在炉冷过程中发生β→α转变。α相优先在晶界附近形核，且αGB的形核受到相邻 β 晶粒取向的影响，当相邻 β 晶粒具有共同的{110}β晶面时，{0001}α面平行于该共有{110}β面的αGB会优先生成；αWGB的形核主要以界面不稳定形核为主，极少数区域存在激发形核机制，故αWGB主要继承αGB的取向并向晶内生长，并最终在晶界附近形成平行板条区；由于晶格类型的改变，αWI会与母相产生形状应变，并通过自协作机制形成三变体团簇来协调该应变，且变体之间满足60°/<11（2）0>取向关系；从750℃炉冷到500℃的过程中合金仅含有α和β两相，且随着保温温度的降低，α相的相对含量增加，合金的硬度也随之增大，拟合结果表明二者之间满足线性关系。　　β-ZrTiAlV合金从750℃炉冷到550℃的过程中可以获得理论上全部的12种α变体，且一个原β晶粒内部的各α变体之间完全满足Burgers理论所预测的五种轴/角取向关系；小尺寸原始β晶粒在与相邻原β晶粒具有共同{110}β极点的晶界处只生成了{0001}α晶面平行于该共有{110}β极点的αGB，通过αWGB的界面不稳定形核特征，αGB的取向被传递到晶内，从而使具有该取向的α变体在原β晶内广泛存在，造成晶内变体选择程度较大；大尺寸原始 β 晶粒在与相邻原 β 晶粒具有共同{110}β极点的晶界处除生成{0001}α面平行于该共有{110}β极点的 αGB，还生成了其他取向的αGB，虽然前者优先形核，但在随后长大阶段不同取向的α变体相互阻碍，使取向平行于共有{110}β极点的 α 变体只在晶界附近产生局部聚集区，而在晶粒内部分布较均匀，造成晶内产生较弱的变体选择。　　β-ZrTiAlV 合金在压缩过程中会发生 β→α'转变，且随着压缩变形量的增加，某些原β晶粒完全转变为α'相；α'相内部观察到{101(1)2}<10(1)1>孪晶，且孪晶的数量随着应变量的增加而增加；界面附近 α'相中的取向差分布结果表明，晶界会阻碍压缩过程中 α'相的生长，因此会在界面附近累积大量的应变，从而促使相邻 β晶粒中发生应力诱导马氏体相变，产生新的α'相。

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2.1 锆与锆合金

1.2.2 钛与钛合金

1.2.3 锆钛基合金的发展

1.3.1 锆合金的制备工艺

1.3.2 锆合金的热处理

1.4.1 锆合金相变特征

1.4.2 锆合金中β→α相变影响因素

1.4.3 锆合金β→α的相变晶体学及变体选择

1.4.4 锆合金应力诱导马氏体相变

1.5.1 研究意义

1.5.2 研究内容

2 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.2 技术路线

2.2.1 热处理实验

2.2.2 压缩实验

2.3.1 EBSD技术及制样方法

2.3.2 ECC技术及制样方法

2.3.3 DSC技术及制样方法

2.3.4 XRD技术及制样方法

2.3.5 显微硬度测试及制样方法

2.3.6 金相观察及制样方法

2.4 本章小结

3 β-ZrTiAlV合金炉冷过程中的组织演变

3.1 引言

3.2 炉冷组织转变

3.3α相的形核机制

3.3.1αGB形核特征

3.3.2αWGB形核特征

3.3.3αWI形核特征

3.4 平衡态下组织与性能的定量研究

3.4.1 平衡态下组织演变

3.4.2 平衡态合金相组成的定量计算

3.4.3 平衡态组织与性能的关系

3.5 本章小结

4 β-ZrTiAlV合金中原始β晶粒尺寸对α变体选择的影响

4.1 引言

4.2 β→α转变的晶体学分析

4.3β→α转变的变体选择

4.3.1 原始β晶粒的选取及变体选择

4.3.2 变体选择的定量研究

4.4 变体选择的影响因素

4.4.1 小尺寸β晶粒变体选择

4.4.2 大尺寸β晶粒变体选择

4.5 本章小结

5 β-ZrTiAlV合金室温压缩组织演变

5.1 引言

5.2 压缩组织演变特征

5.3 形变产物与晶界的相互作用

5.4 本章小结

6 结 论

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致谢