低成本阻燃钛合金微观组织和力学性能研究

【摘要】： 本文制备了15Kg级Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C-x(x=0,2wt%Mo,0.2wt%Si+2wt%Mo)β稳定型低成本阻燃钛合金。进行了熔炼、锻造、热处理、力学性能测试、微观组织和拉伸断口形貌观察等试验。采用SEM、TEM、XRD、EDX等分析手段研究了合金相组成、热处理和合金元素对微观组织及力学性能的影响。讨论了合金相析出行为、断裂行为、变形行为和强化机制等。研究结果表明:除了基体β相外,还有α、(Ti,V)C、TiCr_2等析出相。其中,金属间化合物TiCr_2相是本研究首次发现存在于Ti-V-Cr-Al系阻燃合金中的析出相。合金中少量Al的引入降低了生产成本,但增加了α相析出倾向,促使基体β和α相发生短程有序化(SRO)等。α相在晶界的析出行为对合金塑性有重要影响,它在晶界连续析出时会急剧降低合金塑性。氧被认为是影响仅相析出的主要因素,(Ti,V)C能通过吸收基体中的氧而抑制α相的析出。本文首次开展了碳化物分布形态对Ti-V-Cr-Al系合金微观组织影响的研究工作,提出通过细化(Ti,V)C颗粒来有效抑制晶界连续α相网络的形成,从而明显提高该类合金热暴露后的塑性。 α相和(Ti,V)C是合金中的主要析出强化相,(Ti,V)C颗粒受热处理影响较小,不同热处理工艺主要通过影响α相的析出而改变合金的力学性能。固溶处理后空冷(1~#热处理工艺)不能阻止α相的析出;固溶处理后的单重时效热处理(2~#热处理工艺)将促使α相在晶界和晶内的大量析出。除此之外,本文还开创性地发展了一种能强烈抑制α相在合金晶界和晶内析出的热处理工艺,即高温固溶处理后又进行一次低温固溶处理,随后再进行双重时效热处理(3~#热处理工艺)。2~#热处理工艺由于α相析出多而具有较高的强度,持久和蠕变性能也相对最好,但α相在晶界的大量析出导致合金变脆,尤其是在540℃热暴露100h后塑性急剧下降。3~#热处理工艺抑制了α相在晶内和晶界的大量析出而使强度稍低,合金热稳定性得到明显提高,但因强化相较少而使持久和蠕变性能欠佳;1~#热处理工艺性能则居于前两者之间。 Mo有抑制α相析出的作用;Si则以固溶和析出硅化物两种形式对合金进行强化,能显著提高合金的持久和蠕变性能。 Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C-x合金室温变形以位错滑移为主要形变机制,没有发现孪生现象。热暴露后,由于β基体和α相短程有序转变程度加剧,导致变形结构中出现了平面形变带(位错对滑移)。高温变形则是一个热激活的形变过程,位错交滑移和攀移是其重要的形变机制。位错环组是合金持久和蠕变变形结构中的重要位错组态,它是滑移位错运动的有效阻碍,合金基体上析出相越多,位错环组密度越高,持久和蠕变的抗力越大。