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β型钛合金具有比强度高,易热处理,淬透性好和加工性能好等特点,被广泛应用于航空航天领域。随着新型航空航天飞行器向着高速-大型-结构复杂-低燃油的方向发展,普通的高强β型钛合金难以满足航空航天材料对使用环境的苛刻要求,研发高强高韧β型钛合金已受到世界各国的高度关注。本文利用OM、SEM、硬度测试、室温拉伸试验和平面应变断裂韧性试验等手段,研究了锻造工艺及热处理工艺对BTi20钛合金Φ180mm锻件和□90mm锻件组织及性能的影响,分析了BTi20钛合金的断裂特征和断裂机理,并采用断裂韧性模型对合金的断裂韧性值进行预测。主要研究结果如下:BTi20钛合金经两相区锻造得到的Φ180mm锻件原始组织存在不均匀性。合金在相变点下固溶,从边部至心部,初生α相的形态呈现等轴→等轴+短棒+长条状→短棒+长条状的变化规律,随着固溶温度的升高,初生α相的体积分数逐渐减少。合金在相变点上固溶后,组织为单一的等轴β相,且固溶温度越高,β晶粒的尺寸越大。合金经固溶时效后,组织中出现了“β斑”现象。合金在750℃固溶+时效处理后,β基体上析出了等轴状初生α相和针状次生α相,次生α相的析出情况由合金的边部向心部,逐渐变得均匀;合金在800℃固溶+时效处理后,组织为针状次生α相和β相,次生α相的析出情况由合金的边部向心部,逐渐变得不均匀。Φ180mm锻件在750℃固溶+510℃时效处理后具有较好的韧性,强度和塑性较差,合金的强度由边部向心部逐渐增大,塑性和断裂韧性则逐渐减小。合金1/2R处有较好的强韧性匹配:Rm=1337MPa,A=8.5%,KIC=59.8MPa·m1/2;合金在800℃固溶+510℃时效处理后具有较高的强度(Rm≧1400MPa),塑性和韧性较差,合金的强度由边部向心部逐渐减小,塑性和断裂韧性则逐渐增大。BTi20钛合金经β锻和α+β锻得到的□90mm锻件其原始组织较均匀。合金经固溶时效后组织中无“β斑”现象。β锻合金经800℃固溶+时效处理后,随时效温度的升高,次生α相的析出方式以垂直析出→以“delta”形式析出→以相互平行方式析出,且时效温度越高,次生α相的尺寸越大;α+β锻合金经固溶时效后,次生α相表现为三种析出特性:“delta”形式析出、相互平行或垂直析出和“鱼骨状”形式析出。β锻和α+β锻的□90mm锻件在相同固溶条件下,随着时效温度的升高,合金的抗拉强度逐渐降低,伸长率和断裂韧性逐渐增大。在相同热处理条件下,β锻合金的断裂韧性要高于α+β锻合金。合金在800℃固溶+510℃时效具有良好的强韧性匹配:β锻合金的性能为Rm=1400.8MPa,A=8%,KIC=65.3MPa·m1/2;α+β锻合金的性能为Rm=1484.8MPa,A=8%,KIC=58.6MPa·m1/2。BTi20钛合金断裂韧性试样的剪切唇面积越大,裂纹扩展路径越曲折,合金的断裂韧性越高。合金扩展区的断裂模式以微孔聚集、穿晶解理和沿晶断裂的混合,其中以微孔聚集为主。不同状态下,BTi20钛合金的固有断裂韧性值相近,附加断裂韧性值则受锻造工艺、固溶温度和时效温度的影响。时效态合金的断裂韧性值可用进行模拟预测,误差都在10%之内。