Incoloy825圆钢锻件基于Ti40和WSTi3515S合金工程化大规格坯料锻造过程中的组织演化行为,建立了Ti-V-Cr系阻燃钛合金晶粒细化物理模型。Ti-V-Cr系阻燃钛合金的晶界破碎再结晶机制表明,锻造过程中依靠晶界处的变形,在晶界形成亚晶,当亚晶与母晶粒的位向差超过一定数值时,出现从母晶粒上分离的再结晶晶粒,这些晶粒在随后的加热保温过程中长大,促使组织细化和均匀化。大晶粒和强固溶强化效果是Ti-V-Cr系阻燃钛合金出现晶界破碎再结晶机制的主要的原因,这导致阻燃钛合金在锻造过程中极易产生沿晶界和相界的开裂。
WSTi3515S合金的热处理组织演化行为研究结果表明,在900℃以下退火,WSTi3515S合金的组织差别不大,力学性能变化不明显;退火温度超过900℃时,晶界小晶粒开始明显长大,并向原始晶粒扩展。WSTi3515S合金中主要有4种析出相:Ti2C、（TiV）C、Ti5Si3和α相。当加热温度为900950℃时,WSTi3515S合金锻态组织开始发生明显改变;温度为9501000℃时,鸡爪型（TiV）C开始溶解;温度为10001050℃时,点状颗粒Ti5Si3开始溶解;温度升高到1200℃以上时,球状Ti2C发生溶解;在570℃热暴露过程中,在晶界处析出少量的第二相导致WSTi3515S合金热暴露塑性显著降低。基于横向“九点对称中分（NPSM）”和纵向“圆周面五点均分（LCFA）”取样测试分析方法,以及X射线实时成像检测（XRI）结果表明,采用4次真空自耗电弧熔炼技术可以解决Ti-V-Cr系阻燃钛合金大型铸锭的成分偏析问题;大尺寸板坯的力学性能结果表明:借助大型挤压机和大型快锻机可以有效控制阻燃钛合金工程化板坯的组织和性能均匀性。WSTi3515S合金的室温拉伸、硬度、冲击和540oC高温拉伸等性能与Ti40合金相当,但540℃高温蠕变、高温持久以及热稳定性等热强性能较好;V和C元素对Ti-V-Cr系阻燃钛合金的热强性能影响显著,且C元素还具有促进晶粒细化的作用。Ti-V-Cr系阻燃钛合金的热物理性能测试结果及采用小二乘法原理拟合获得的数学方程表明,在室温到600℃范围内,WSTi3515S和Ti40合金的热物理性能受温度的影响变化规律曲线比较稳定,泊松比m随温度的变化不明显,杨氏模量E和剪切模量G随着温度的升高呈线性缓慢下降,比热Cp随着温度的升高呈抛物线增加,热扩散率D和热导率K随着温度的升高呈线性增加,线性热膨胀率ΔL/L0和平均线性热膨胀系数a随着温度的升高呈抛物线增加。
作为高推比空发动机的重要构件之一,钛合金双性能整体叶盘结构的设计和制造已被各空大国视为*发动机的发展方向之一。其中,定量控制片状组织的球化演变是制造钛合金双性能整体叶盘的核心技术。因此,在对两相区热加工过程中组织演变进行观察和分析的基础上,深入研究片状组织动态球化过程中的组织演变机理,建立片状组织动态球化的预测模型,研究变形后热处理过程中片状组织演变的规律和机制,建立组织中微观组织特征参数与高温拉伸性能间的预测模型,均具有重要的学术研究价值和工程实际应用价值。本文以空发动机重要选用材料之一的TC17钛合金为研究对象,以实验和理论分析为主,辅以有限元数值模拟的研究思路,对热加工过程中片状组织的球化演变过程进行了深入研究,主要研究内容及结果如下:与之前研究多采用热模拟压缩试验研究钛合金组织球化行为不同,本研究以5kg级TC17钛合金圆饼为研究对象,研究了初始组织为片状组织的TC17钛合金的动态球化过程中组织演变,对TC17钛合金动态球化机制及β相在球化过程中发生的组织变化进行了探讨,并讨论了α相与β相间的Burgers关系变化。研究表明:变形初期片状组织内部首先在动态回复作用下形成位错亚结构,亚晶界均为小角度晶界。随着变形的增大,在应力集中较为严重的部位,亚晶界转化为大角度晶界导致片状α的破裂。为了降低表面能,破碎α相的相界通过扩散作用继续迁移,终实现α相的球化。在热变形过程中,基体β相也会发生明显的连续再结晶。在此过程中,α相起到第二相的作用,并在其周围塞积大量位错。随着变形程度的不断增加,这些位错转变为分割基体β相的亚晶界。因此当β相终发生再结晶后多以α相颗粒为边界。当变形温度足够高时,β相会有很高的再结晶和长大速度。热变形破坏了TC17合金初始片状组织中α相和β相间严格的Burgers关系,片状组织的稳定性遭到破坏。热变形过程中α相和β相均发生较为明显的位向变化,这是造成α相与β相间严格Burgers关系破坏的根本原因。
在热模拟压缩试验和定量金相技术的基础上,定量地研究了变形过程中热变形参数对片状组织球化的影响,以Avrami方程的形式建立了可应用于工程实际的、定量考虑工艺参数对微观组织演变影响的动态球化预测模型。通过二次开发,将所建模型以子程序形式嵌入商用有限元模拟软件Deform-3D,从而实现了组织演变预测和工艺参数优化的功能。对比分析大规格台阶形工件等温锻造试验后不同部位的显微组织及其对应的有限元模拟的结果发现,所建立模型可以合理地预测热变形过程中的动态球化体积分数变化(其百分比误差低于14.3%),这也验证了所建模型的准确性和可靠性。通过对经不同变形量等温锻造后的TC17钛合金饼坯进行热处理实验,研究了热处理过程中片状α相的组织演变规律,研究了应变量和热处理时间对片状组织演变的影响,探究热处理过程中片状组织演变的主要机理。研究发现:应变量和热处理时间对热处理过程中的片状组织演变均有较大影响。变形量的增加和热处理时间的延长均有利于片状组织的进一步球化转变。热处理过程中的片状组织演变可以分为两个阶段,个阶段发生在热处理初期,主要受晶界分离机制影响;第二个阶段发生在中后期的长时间热处理过程中,主要影响机制是组织粗化机制。采用BP人工神经网络模型,建立了显微组织特征参数与高温拉伸性能间的定量预测模型。模型以微观组织特征参数(初生α相体积分数、初生α相Feret ratio和次生α相体积分数)作为输入参数,以高温拉伸性能(抗拉强度、屈服强度、延伸率和断面收缩率)作为输出参数。随后,采用非训练样本的试验结果对所建模型进行验证。其中高温抗拉强度的大误差为5.7MPa,高温屈服强度间的大误差为6.2MPa,延伸率和断面收缩率预测值与实验值间的大相对误差均小于9%。以上结果表明本研究所采用的建模方法是可行的,所建模型具有较高的预测精度,基本可满足工程应用的需要。
γ-TiAl合金是新型的轻质耐高温结构材料,具有低密度、高比强度、高比刚度、优异的抗氧化及抗蠕变性能,在空天及汽车制造领域应用前景。为了追求更高的服役温度,Nb添加成为TiAl合金的重要发展趋势之一。高铌TiAl合金是我国自主研发的TiAl合金体系,使用温度高达850oC。然而微观偏析严重、组织均匀性差、显微织构强烈以及开裂倾向大等问题限制了高铌TiAl合金的应用。本文以Ti-45Al-8.5Nb-0.2W-0.2B-0.02Y合金为研究对象,对高铌TiAl合金由高温至低温的组织演化行为进行了系统的研究,分析了微观偏析、组织均匀性、显微织构的影响因素及演变规律。
基于高铌TiAl合金的相变规律提出了一种新凝固组织调控方法,并对该方法下的组织演化行为进行了研究。本文的主要研究内容和所取得的创新性成果如下:分别对包晶凝固的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金以及β凝固的Ti-45Al-8.5Nb-（W,B,Y）合金进行了糊状区循环处理,结果表明该处理方法的晶粒细化效果对凝固路径极为敏感。在电磁搅拌和热循环作用下,Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的α相发生了重熔与破碎,由粗大的柱状晶转变为不规则的枝晶碎片、继而呈现出蔷薇状形貌,终熟化变为尺寸均匀球状晶,从而使片层团尺寸由35mm减小至250μm。对于Ti-45Al-8.5Nb-（W,B,Y）合金而言,循环处理改变了初生β相的形貌,并未对α相产生细化效果,因此对片层团尺寸无显著影响研究了不同凝固速率条件下Ti-45Al-8.5Nb-（W,B,Y）合金的组织演化行为。结果表明:Ti-45Al-8.5Nb-（W,B,Y）合金在凝固时发生了显著的凝固偏析。随着凝固速率的降低,B2相含量减小,初生β相形貌演化规律为:近片层组织（无枝晶形貌）→粗大不规则枝晶→边缘处的粗枝晶和芯部的细枝晶。凝固偏析导致了合金由单一的β凝固变为枝晶干的β凝固以及枝晶间的包晶凝固,从而形成了不均匀的显微组织,表现为“枝晶间的粗化”以及“枝晶干的细化”。随着凝固速率的降低平均片层团尺寸增大,当凝固速率为10oC/min时,片层团尺寸不均匀;由于Al、Nb含量的差异形成了不均匀的片层间距,枝晶间片层间距明显宽于枝晶干片层间距。枝晶间的微裂纹以及不均匀的显微组织加剧了Ti-45Al-8.5Nb-（W,B,Y）合金的开裂倾向。采用高温激光共聚焦显微镜研究了Ti-45Al-8.5Nb-（W,B,Y）合金的β→α相变行为。在该相变过程中,α相的形核位置与冷速密切相关:快冷时（22.6oC/s）,α相在β晶界以及TiB上均可发生形核;慢冷时（1oC/s和0.1oC/s）,α相以TiB为核心形核长大。冷却速率显著影响α相的形貌:快冷时,大多数α相呈现出魏氏体形貌,具有特定的生长取向;慢冷时,大多数α相以Ti B为形核质点球状生长,呈现出等轴形貌,无择优取向。采用EBSD研究了Ti-45Al-8.5Nb-（W,B,Y）合金在β→α相变过程中的显微织构演化规律及机制。
Incoloy825圆钢锻件结果表明:随着冷速的降低,显微织构含量减少。在该相变过程中,TiB由β相中析出,两者符合位相关系:{011}β‖（001）B27,<111>β‖[010]B27;同时,α相与Ti B存在两类不同的位相关系,可分别形成Burgersα相以及非Burgersα相。Burgersα和非Burgersα相之间存在竞争生长关系,快冷时非Burgersα相生长被抑制;慢冷时Burgersα相和非Burgersα相均可充分长大。提出了一种新的高铌TiAl合金凝固组织控制方法,即凝固过程中两步恒温处理（Two-step isothermal Treatment,TIT）。TIT由β单相区的短时保温(1st IT)以及略高于Tα+β的保温(2nd IT)两步组成。1st IT可消除合金中的包晶α相,保证合金整体以β凝固路径发生相变,从而消除凝固偏析,使组织均匀性得到改善。2nd IT可消除片层团界面处呈连续网状分布的β偏析,并且少量的残余B2相可钉扎α晶粒防止片层团的粗化。与此同时,在2nd IT过程中发生了魏氏体α相的破碎与球化以及等轴α相的形核与生长,形成了等轴细小且尺寸均匀的片层结构。此外,Al、Nb元素的充分扩散为非Burgersα的生长提供了条件,从而使显微织构含量减少,片层界面的取向更加随机,从而提高了合金的力学性能,减小了开裂倾向。