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脉冲电流处理对钛合金板材组织和性能影响的研究

宋辉  
【摘要】:由于钛合金具有较高的比强度、较宽的工作温度范围和优异的抗腐蚀能力,因而在航空、航天等领域得到广泛应用。但钛合金在常温下变形能力差,一般必须采用加热方法提高其塑性或采用退火的方法消除冷作硬化。然而钛合金在高温下极易发生氧化和晶粒长大,这限制了钛合金的应用,因此需要寻找一种改善钛合金成形性的方法。近年来,许多研究表明脉冲电流能够影响材料的微观组织,是改善材料力学性能的一种有效方法。本文通过对几种典型钛合金脉冲电流处理实验的研究,探索改善钛合金板材成形性的新途径。 首先,以退火态的TC4为实验材料研究了脉冲电流处理对钛合金板材变形损伤的影响。在拉伸实验机上进行预拉伸,产生8%的预塑性变形,然后对预塑性变形试样进行脉冲电流处理,处理后再用单向拉伸实验检验脉冲电流处理试样的力学性能。为了研究脉冲电流作用下板材损伤演化的影响,试样在预拉伸前先进行机械抛光,预拉伸后用扫描电镜观察试样表面微裂纹和孔洞的形貌,进行脉冲电流处理后重新用扫描电镜检验微裂纹和孔洞的形貌,并用光学金相显微镜观察材料的显微组织。研究结果表明,在一定条件下因塑性变形而产生的微裂纹可以被治愈,并形成局部的再结晶组织,预塑性变形试样的塑性可以被完全恢复,极限变形量得到提高。 其次,研究了脉冲电流处理对冷轧钛合金板材组织和性能的影响。选用冷轧态TA15板材和TA1-A板材进行了脉冲电流处理实验,比较分析了脉冲电流处理、普通退火和冷轧状态强度、塑性和各向异性等力学性能,利用光学显微镜、透射电镜和扫描电镜分析了脉冲电流处理前后显微组织、位错形态、亚晶和断口形貌的变化,研究结果表明,脉冲电流处理可以大幅度地提高冷轧钛合金板材的塑性,同时材料强度不降低。脉冲电流处理后TA15的位错密度和位错缠结程度都大幅降低,并发生了再结晶,形成了细小等轴晶粒,由于晶粒的细化作用,强韧性得到改善。脉冲电流处理后TA1-A板材中形成了片层组织,这是因为脉冲电流处理过程中发生了相转变,这种片层组织使TA1-A的强度明显高于普通退火状态强度,但延伸率略有下降。进一步研究了脉冲电流处理对位错可动性的影响。位错的开动、滑移、解缠及相互作用不仅对金属的塑性变形过程有着重要的影响,而且对微裂纹的萌生、再结晶的形核等也同样有着重要的影响,在脉冲电流治愈变形损伤、消除冷作硬化过程中起着关键作用。为此,本文应用动态机械分析仪(DMA),通过测量冷轧状态、普通退火状态和脉冲电流处理状态TA1-A内耗与弹性模量随温度、应变幅值和振动频率的变化规律,分析脉冲电流处理对位错可动性的影响。研究结果表明,与普通退火状态相比,脉冲电流处理试样出现内耗峰的温度移向低温区的现象,从而证明脉冲电流处理可以降低位错的缠结、增强位错的可移动性。 最后,鉴于TiAl基合金在未来航空航天等领域的应用前景,本文亦对TiAl基合金的脉冲电流处理进行了初步的探索,研究了脉冲电流处理前后铸态TiAl基合金的光学金相组织形貌和晶粒的尺寸,分析了TiAl基合金在脉冲电流作用下晶粒得到细化的机理。


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