Ti60钛合金是我国研制的具有自主知识产权的600°C高温钛合金,可用于制造高推重比航空发动机关键部件。Ti60钛合金通过一系列的热处理可以实现力学性能的综合匹配。为了优化合金热处理工艺,并考察服役条件下的组织稳定性,需要系统研究合金在热处理及服役过程中的组织演变规律,探讨相变机制。因此,本文采用热膨胀法,结合扫描电镜和透射电镜等表征手段研究了Ti60钛合金在固溶热处理过程、连续冷却过程、等温过程,以及长期热暴露过程中的组织演变规律。深入探讨了α相的形核长大机制,以及α’马氏体的等温分解机制。此外,通过分析α2相和硅化物两种纳米相的析出规律,研究了热暴露对材料力学性能的影响。论文的主要研究内容和结果包括:(1)固溶温度与Ti60钛合金组织中α相体积分数近似呈线性关系,α相中Al元素含量随固溶温度升高而增加。固溶过程中过饱和的α相发生α→β转变,当固溶温度超过1020°C时,α片层不仅宽度减小,长轴末端也发生溶解并分裂成短片层。(2)合金自β相区以淬火或空冷条件冷却,组织发生β→α’马氏体转变,而且在α’马氏体内形成位错、层错等缺陷。另外在炉冷条件下,组织发生α→α2有序化转变。在α+β相区固溶淬火组织中发现块状α’马氏体,它从α相边界向外延伸,其取向与α相一致,而化学成分与β转变组织接近,可通过提高固溶温度和缩短保温时间促进形成块状α’马氏体。(3)采用膨胀法研究了合金连续冷却至室温过程的相变动力学。结果表明:当冷速超过50°C?s-1时,合金组织发生β→α’马氏体转变,马氏体转变温度(Ms)约为900°C;在20°C?s-1~5°C?s-1范围内,组织中部分β相在940°C~920°C范围内发生β→α转变,α相优先在晶界形核并长大,剩余的过饱和β相发生β→α’转变;当冷速降至3°C?s-1时,组织中全部β相发生β→α转变,α片层在晶界和晶内同时形核长大;冷速降至1°C?s-1时,α片层仅在晶界形核长大。本文基于上述结果建立了合金的连续冷却转变(CCT)图。(4)采用膨胀法研究了β→α等温相变动力学。基于JMA模型描述了等温过程中α相的形核长大机制。在1030°C保温时,α相仅在晶界形核并沿晶界延伸,对应Avrami指数n可近似为1.0;在950°C时n值增加至1.31,对应α相从晶界向晶内以片层形式生长。(5)α’马氏体组织在等温处理过程中发生α’→α+β转变,α相形核的同时伴随β相析出,最终形成细密的片层组织。随着等温温度降低,片层组织得到进一步细化。由此可知,利用等温过程中α’马氏体的分解机制,可实现组织细化。(6)Ti60钛合金在650°C、600°C或550°C长期热暴露后,组织中残余β相分解,并引起部分α相合并。另外,α相发生α→α2有序化转变,形成弥散分布的纳米尺寸颗粒。在550°C热暴露时,硅化物仅在α边界沉淀析出,最终成长为椭球形的S2型硅化物,长轴可达150nm;在650°C热暴露时,硅化物在α相边界和内部的位错和层错处大量析出,纳米相的析出会导致合金脆化,使得合金的室温延伸率低于5%。