置氢ZrTiAlV合金的高温变形行为及显微组织演变

摘要

大部分锆、钛合金因耐热耐腐蚀性好、强度硬度较高等一系列优点而被广泛用于航空航天材料、船舶以及化学工业等领域，因此具有广泛的应用前景。然而，一般情况下锆、钛合金室温条件下塑性较差，容易在加工过程中产生开裂，需要在高变形温度及较低的应变速率条件下加工成形，热加工变形范围较窄，变形抗力太大，从而使其在各方面的应用大大受到限制。置氢处理是通过把氢作为锆、钛合金的临时合金化元素改善其相组成及微观组织，从而有效降低合金的高温流变抗力，促进位错移动及动态再结晶，显著提高合金的高温变形能力，明显改善热加工性能以及降低制造成本。本文通过控制置氢熔炼设备的氢分压获得未置氢及氢含量为3.46×10-2wt.%的47Zr-45Ti-5Al-3V合金，采用Gleeble-1500D动态热模拟试验机进行热压缩变形，并利用金相显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、背散射电子显微镜(EBSD)等研究了置氢处理对47Zr-45Ti-5Al-3V合金的热变形行为及其显微组织的影响。主要包括：　　①利用动态热模拟试验机，对置氢与未置氢的铸态47Zr-45Ti-5Al-3V合金在不同变形条件下进行热压缩，系统研究了置氢处理对该合金在不同变形温度及应变速率条件下的高温变形行为及其微观组织演化规律的影响，并构建了本构方程及热加工图。结果表明随着应变速率的不断降低及变形温度的逐渐升高，其流变应力也随之逐渐降低；加入氢元素可以显著降低ZrTiAlV合金的流变应力和变形激活能，通过计算得到未置氢合金热压缩变形激活能为339.7kJ/mol，而置氢合金的激活能则降低为286.5kJ/mol；通过热加工图的对比，置氢合金的热加工图中热加工窗口显著扩大，变形失稳区缩小，最佳热变形区域向更低的变形温度及较高的应变速率区域靠近。对于未置氢ZrTiAlV合金，最佳塑性变形区间为变形温度为775-900℃且应变速率为0.01-0.1s-1。而置氢ZrTiAlV合金的最佳塑性变形温度区间扩大至650-900℃且应变速率范围扩大至0.01-1s-1。　　②对于铸态ZrTiAlV合金，利用光学显微镜、X射线衍射仪研究了氢对合金铸态组织、相变点及相组成的影响，结果表明氢元素作为β相稳定性元素，降低相变点，扩大β相区，使组织中塑性较好的β相含量增加，同时促进铸态组织细化，从而有利于提高铸态合金的塑性。　　③通过研究置氢对ZrTiAlV合金在不同变形条件下微观组织演变的影响发现，在应变速率一定且变形温度较低(600-700℃)时，置氢增大绝热剪切带与压缩轴方向的夹角，降低合金的变形抗力。当变形温度升高(800-900℃)时，氢促进位错的移动及动态再结晶晶粒的形核与长大，显著提高组织中动态再结晶粒数量。当变形温度保持一定，且应变速率较低时，该合金发生动态再结晶，且动态再结晶机制为连续动态再结晶(CDRX)。随着应变速率逐渐升高，该合金的软化机制为动态回复，并伴随着部分动态再结晶，动态再结晶机制主要为不连续动态再结晶(DDRX)。置氢合金动态再结晶分数明显提高，组织细化，位错密度降低，但动态再结晶机制不变。　　④研究了置氢对ZrTiAlV合金(α＋β)两相区组织演变的影响发现，一方面氢能促进合金原子及位错的运动，从而提高晶界的扩散系数、动态再结晶形核率和晶粒长大速率；另一方面由于氢致相变，使塑性较好的β相含量增加，从而降低合金在双相区的流变抗力，提高该合金的热加工性能。

目录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2.1 钛及钛合金的性质

1.2.2 锆及锆合金的性质

1.2.3 氢在钛合金及锆合金中的特性

1.3.1 置氢处理及其分类

1.3.2 置氢技术的基本原理

1.3.3 置氢处理研究现状

1.4.1 热变形行为

1.4.2 动态回复及动态再结晶

1.4.3 热变形行为研究现状

1.5 本文的研究意义及内容

2 实验内容及研究方法

2.1 实验材料

2.2置氢处理工艺

2.3 高温压缩实验

2.4.1 氢含量及相变点的测定

2.4.2 X射线衍射分析（XRD）

2.4.3 光学组织观察(OM)

2.4.4 电子背散射衍射分析(EBSD)

3 置氢对ZrTiAlV合金高温变形行为的影响

3.1 引言

3.2.1 热压缩对ZrTiAlV合金流变行为的影响

3.2.2 未置氢ZrTiAlV合金应力-应变曲线特征

3.2.3 置氢ZrTiAlV合金应力-应变曲线特征

3.3.1 本构方程原理

3.3.2 ZrTiAlV合金本构方程的建立

3.3.3 置氢ZrTiAlV合金本构方程的建立

3.4 热加工图

3.5 本章小结

4 置氢对ZrTiAlV合金显微组织演变的影响

4.1 引言

4.2.1 置氢对相组成及相变点的影响

4.2.2 置氢对铸态组织的影响

4.3 不同变形温度下置氢合金的显微组织演变

4.3.1 较低变形温度下置氢合金的显微组织演变

4.3.2 较高变形温度下置氢合金的显微组织演变

4.4 不同应变速率下置氢合金的显微组织演变

4.4.1 低应变速率下置氢合金的显微组织演变

4.4.2 高应变速率下置氢合金的显微组织演变

4.5 置氢合金在双相区(α＋β)的显微组织演变

4.6 本章小结

5 结论

参考文献

附录

致谢