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船舶海水管系钛合金设计及组织性能研究

作　者: 袁玉平
导　师: 赵成志
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 材料学
关键词: 钛合金魏氏组织性能热力学模拟计算合金设计
分类号: TG146.23
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

长期的实践证明，钛合金是一种性能优异的船舶管系材料，但是相对于常用的钢材而言，高成本限制了其在船舶领域的广泛应用。本课题以船舶海水管系材料的应用为背景，根据合金设计的原理和方法并结合Thermo-Calc软件来设计钛合金的成分，通过真空非自耗电极电弧炉熔炼制备钛合金铸锭，并对其中部分成分的钛合金进行退火处理。对铸态和退火处理的钛合金，通过金相显微镜、扫描电镜以及XRD衍射技术等手段对合金的化学成分、显微组织以及相结构等进行分析；通过拉伸实验、显微硬度以及电化学测试来分析合金的力学和耐腐蚀性能。理论结合实际，对所设计成分的钛合金的综合性能做出评价。研究结果表明：所设计成分的钛合金铸锭，均存在合金元素分布不均匀的现象；无论是铸态还是退火处理的钛合金，晶粒结构均比较粗大，室温组织是以平直状或编织状α为主要形貌的魏氏组织，并且存在网状晶界α；合金中合金元素的种类和含量的变化，并没有引起室温组织形态的明显变化，只是片状α宽度略有不同；室温的相组成主要为α相，另外还含有少量的β相，部分成分的钛合金中还有金属化合物Al3Ti析出。对Ti-Al-Fe-Mo-Zr系合金，合金的抗拉强度能满足设计期望的要求，只是塑性还不够；合金的抗拉强度和硬度随合金中合金元素含量的增加而升高，这是由于合金元素的固溶强化作用，其中元素Al的固溶强化作用最大，合金每增加1%（质量分数）的Al，合金的抗拉强度大约会提高80MPa，但塑性也会降低；当合金中铝质量分数为2%和3%时，合金在拉伸变形过程存在塑性变形，当合金中的铝含量为3.5%时，合金就变为脆性断裂，这与合金中有脆性金属化合物的析出可能相关。对合金Ti-2Al-1Fe-1Mo-1Zr和Ti-2Al-1.5Fe-1Mo-1Zr，在动电位极化曲线测试过程一直没有看到过钝化现象和钝化膜被击穿，说明了合金在3.5%NaCl水溶液中的耐腐蚀性能良好；通过对拟合等效电路的分析，合金的极化电阻很高，意味着合金试样维持电极平衡的能力很强，也说明合金在3.5%NaCl水溶液中的耐腐蚀性能良好；通过两种合金电化学测试相关参数比较，发现Ti-2Al-1Fe-1Mo-1Zr合金的耐腐蚀性能比较好，合金元素Fe能降低合金的耐腐蚀性能。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-21
  1.1 课题背景  11
  1.2 钛合金材料的性能  11-13
  1.3 船舶海水管系材料发展状况  13-15
  1.4 钛合金在船舶海水管系中的应用及发展  15-19
    1.4.1 钛合金材料在船舶行业的应用现状  15-17
    1.4.2 钛合金在海水管系上的应用现状  17-18
    1.4.3 船用钛合金的发展趋势  18-19
  1.5 本课题的研究内容及意义  19-21
第2章实验材料、设备和方法  21-27
  2.1 实验原材料  21
  2.2 钛合金的制备  21-22
    2.2.1 熔炼设备  21-22
    2.2.2 材料的制备方法及工艺  22
  2.3 退火工艺的制订  22-24
    2.3.1 退火设备  22
    2.3.2 相变点的测定  22-24
    2.3.3 退火工艺参数的确定  24
  2.4 分析测试方法  24-26
    2.4.1 金相试样制备与组织观察  24
    2.4.2 X 射线衍射分析  24-25
    2.4.3 扫描电子显微镜测试  25
    2.4.4 显微硬度测试  25
    2.4.5 室温拉伸性能测试  25-26
    2.4.6 腐蚀性能的测试  26
  2.5 本章小结  26-27
第3章钛合金理论设计及热力学计算  27-45
  3.1 引言  27
  3.2 设计目标  27
  3.3 合金成分设计原理  27-31
    3.3.1 钛合金中合金元素的分类及作用  28-29
    3.3.2 钛合金的分类与特点  29-31
  3.4 合金成分的设计方法  31-34
    3.4.1 Al-Mo 当量设计准则  31-32
    3.4.2 低成本设计准则  32
    3.4.3 热力学模拟计算  32-34
  3.5 合金设计  34-42
    3.5.1 合金类型的选择  34
    3.5.2 合金元素的选择  34-36
    3.5.3 热力学模拟计算  36-42
    3.5.4 合金化学成分的确定  42
  3.6 本章小结  42-45
第4章合金显微组织及相结构分析  45-71
  4.1 引言  45
  4.2 合金铸锭的化学成分分析  45-50
    4.2.1 化学成分分析结果  45-49
    4.2.2 化学成分结果的分析与讨论  49-50
  4.3 合金铸锭的显微组织分析  50-60
    4.3.1 Ti-Al-Fe-Mo 系合金铸态显微组织  50-52
    4.3.2 Ti-Al-Fe-Mo-Zr 系合金铸态显微组织  52-59
    4.3.3 Ti-Al-Fe-Mo-V 系合金铸态显微组织  59-60
    4.3.4 合金铸态显微组织分析  60
  4.4 退火对合金显微组织的影响  60-66
    4.4.1 合金退火态的显微组织  61-65
    4.4.2 合金退火态的显微组织分析  65-66
  4.5 合金铸锭的相结构分析  66-70
    4.5.1 Ti-Al-Fe-Mo 系合金  66-67
    4.5.2 Ti-Al-Fe-Mo-Zr 系合金  67-69
    4.5.3 Ti-Al-Fe-Mo-V 系合金  69-70
  4.6 本章小结  70-71
第5章合金基本力学及腐蚀性能研究  71-83
  5.1 引言  71
  5.2 合金室温力学性能  71-76
    5.2.1 合金室温拉伸性能分析  71-73
    5.2.2 合金铸锭的断口分析  73-75
    5.2.3 合金显微硬度分析  75-76
  5.3 合金铸锭耐腐蚀性能研究  76-81
    5.3.1 引言  76
    5.3.2 电化学测试法  76-77
    5.3.3 合金铸锭耐腐蚀性能  77-81
  5.4 本章小结  81-83
结论  83-85
参考文献  85-91
致谢  91

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