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高强度TiZrAlV合金的制备及组织性能研究

作　者: 景然
导　师: 刘日平；马明臻
学　校: 燕山大学
专　业: 材料学
关键词: 锆合金钛锆基合金成分优化热处理相转变力学性能
分类号: TG146.23
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

钛及钛合金由于具有高比强度、优异的抗腐蚀性，低密度（密度仅为钢和镍基超合金的一半）等优点，在早期就被广泛应用于航空工业和化学工业中；而锆及锆合金具有中子吸收截面积小、抗辐照、抗氧化、耐腐蚀、热膨胀系数小以及密度小等优异的理化性能，目前被广泛应用于核工业和化学工业中。随着科技的迅猛发展，钛合金及锆合金在航天领域的应用正在逐渐增多。但由于现有钛合金的抗辐照性能差、膨胀系数大，而锆合金的强度比较低，两者均不适合作为航天飞行器的结构材料来使用。基于上述现状，本文以发展新型空间结构材料为目标，通过对合金成分的设计和优化和对锻造和热处理工艺参数的探索，设计具有优异力学性能的TiZr基合金体系，并系统研究TiZr基合金体系的相变、组织演化和强化机制。本文以Ti-6Al-4V为基体，以各元素对合金的相组成以及力学性能的影响作为依据，设计出新型TiZr基合金体系中各元素的含量，并且对TiZrAlV合金的成分进行了优化。使用非自耗电弧炉制备了一系列成分的TiZrAlV合金，其力学性能测试结果表明：Zr含量在15wt.%~20wt.%的范围内时，合金的强度得到较大的提升，并且密度控制在4.6g/cm~3左右；传统Ti合金中最主要的强化元素Al的含量控制在4.5wt.%~6.9wt.%的范围内时，可有效的提高合金的强度；β相稳定元素V元素的含量则控制在3.5wt.%~4.5wt.%的范围内；其余为Ti。TiZrAlV合金体系的β相转变温度随着Zr含量的增加而降低，其综合力学性能随Zr含量的增加而升高。根据成分优化的结果，使用水冷铜坩埚电磁感应悬浮熔炼以及工业自耗电弧炉熔炼制备了成分为Ti-15Zr-6Al-4V（T15Z合金）、Ti-20Zr-6.5Al-4V（T20Z合金）以及Ti-51Zr-4.5Al-4V（T51Z合金）高强度合金。通过开坯锻造、精锻和后续的热处理，合金的性能得到进一步的改善。主要的力学性能指标如下：T15Z合金经过退火后具有较好的塑性（大于13%）；T51Z合金在不同温度淬火后，其延伸率在15%左右；固溶时效态T20Z合金的最大抗拉强度可达1740MPa，延伸率为2.3%；T20Z合金700℃时效后的强度为1437MPa，延伸率为6.69%；退火态的T20Z合金的强度在1300MPa左右，延伸率大于10%。利用XRD、OM、FE-SEM以及TEM研究T20Z合金在不同热处理制度下的相变以及组织演化规律。结果如下：950℃固溶处理后的样品中出现了面心立方结构相，其晶格参数a=0.4385nm，而700℃时效后该fcc相转变成为α相。550℃~850℃保温120min退火后合金主要是由α相和β相组成，并且在650℃和750℃退火后出现面心立方结构相；在750℃以下退火后合金中残余β相的含量随着退火温度的升高而有所降低；在退火温度达到750℃以上时残余β相的含量则随着退火温度的升高而增加。T20Z合金在800℃~1050℃保温30min退火后合金由α相和β相组成；在950℃以下即双相区退火时，合金中残余β相的含量随退火温度的升高先增加后降低；在950℃以上退火时，合金中残余β相的含量随着退火温度的升高而增加。此外，在相同退火温度下，保温时间越长，T20Z合金中β相的含量也越高。退火态下的α相板条的厚度对退火温度很敏感。随着退火温度的升高，α相的形貌趋向于等轴状（1050℃除外）。T20Z合金在经过1000℃退火处理后，α相板条厚度达到了最大值4.22μm。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-11
第1章绪论  11-28
  1.1 选题背景及意义  11-12
  1.2 Ti 合金与 Zr 合金的发展  12-16
    1.2.1 Ti 与 Ti 合金  12-14
    1.2.2 Zr 与 Zr 合金  14-16
  1.3 Ti 合金的熔炼与热加工技术  16-18
    1.3.1 Ti 合金的熔炼技术  16-17
    1.3.2 Ti 合金的热加工技术  17-18
  1.4 Ti 合金的结构、相变及微观组织特征  18-23
    1.4.1 Ti 合金的相变  18-20
    1.4.2 合金元素对 Ti 的影响  20-21
    1.4.3 Ti 合金的微观组织特征  21-23
  1.5 Ti 合金的强韧化机制与变形机制  23-27
    1.5.1 Ti 合金的强韧化  23-26
    1.5.2 Ti 合金的变形机制  26-27
  1.6 本文主要研究内容  27-28
第2章 TiZr 基合金制备、表征及性能测试方法  28-32
  2.1 合金制备方法  28-29
  2.2 热加工方法及工艺  29
    2.2.1 轧制工艺流程  29
    2.2.2 锻造工艺流程  29
  2.3 热处理  29-30
  2.4 结构和微观组织的分析测试  30-31
    2.4.1 X 衍射分析  30
    2.4.2 DSC 热物性分析  30
    2.4.3 热膨胀测试  30
    2.4.4 OM 组织观察  30
    2.4.5 SEM、FE-SEM 观察及 EDS 能谱分析  30-31
    2.4.6 TEM 组织观察  31
  2.5 力学性能测试  31-32
    2.5.1 单轴拉伸性能测试  31
    2.5.2 洛氏硬度测试  31
    2.5.3 维氏硬度测试  31-32
第3章 TiZr 基合金的成分设计及组织性能优化  32-42
  3.1 引言  32-33
  3.2 试验材料与方法  33-34
  3.3 结果与讨论  34-41
    3.3.1 相结构分析  34-35
    3.3.2 微观组织形貌分析  35-36
    3.3.3 力学性能分析  36-39
    3.3.4 断口形貌分析  39-41
  3.4 本章小结  41-42
第4章热处理工艺与合金组织和力学性能之间的关联性  42-67
  4.1 引言  42-43
  4.2 试验材料与方法  43-44
  4.3 锻造态 T20Z 合金的组织结构与力学性能  44-48
    4.3.1 T20Z 合金的 DSC 分析以及锻造工艺的确定  44-45
    4.3.2 锻造态 T20Z 合金的相组成和微观组织结构  45-47
    4.3.3 锻造态 T20Z 合金的力学性能  47-48
  4.4 固溶时效态 T20Z 合金的组织结构和力学性能  48-57
    4.4.1 相结构分析  48-51
    4.4.2 微观组织形貌分析  51-53
    4.4.3 力学性能测试  53-56
    4.4.4 断口形貌分析  56-57
  4.5 退火态 T20Z 合金的组织结构和力学性能  57-66
    4.5.1 相结构分析  57-58
    4.5.2 微观组织形貌分析  58-60
    4.5.3 力学性能测试  60-64
    4.5.4 断口形貌分析  64-66
  4.6 本章小结  66-67
第5章热处理工艺对 T15Z 和 T51Z 合金的显微组织结构和力学性能的影响  67-82
  5.1 引言  67
  5.2 实验材料和方法  67-69
  5.3 热处理对 T15Z 合金组织结构以及力学性能的影响  69-77
    5.3.1 退火处理对 T15Z 合金组织结构以及力学性能的影响  69-72
    5.3.2 固溶时效对 T15Z 合金组织结构以及性能的影响  72-77
  5.4 固溶处理对 T51Z 合金组织结构以及力学性能的影响  77-80
  5.5 本章小结  80-82
第6章 TiZr 基合金热处理过程中的相演变规律  82-98
  6.1 引言  82-83
  6.2 固溶时效过程中的相变  83-92
  6.3 退火过程中相变  92-96
  6.4 本章小结  96-98
结论  98-99
参考文献  99-112
攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果  112-115
致谢  115-116
作者简介  116

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