【摘 要】
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随着新一代航空航天飞行器的飞速发展,钛合金关键结构件的服役环境更加恶劣,因此对高温高强钛合金的需求也就越发迫切。然而受传统冶金原理性的制约,致使现代发展的钛合金性能单一,并不能完全满足高温高强的使用需求。激光增材制造独特的超高温、强对流和瞬时小熔池等超常冶金条件,以及高温度梯度和极快冷却速率的非平衡凝固条件,为突破传统制备技术对钛合金在多元合金化、结构尺寸和复杂程度等方面限制开辟了变革性的途径。本
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随着新一代航空航天飞行器的飞速发展,钛合金关键结构件的服役环境更加恶劣,因此对高温高强钛合金的需求也就越发迫切。然而受传统冶金原理性的制约,致使现代发展的钛合金性能单一,并不能完全满足高温高强的使用需求。激光增材制造独特的超高温、强对流和瞬时小熔池等超常冶金条件,以及高温度梯度和极快冷却速率的非平衡凝固条件,为突破传统制备技术对钛合金在多元合金化、结构尺寸和复杂程度等方面限制开辟了变革性的途径。本文首先选取具有优异高温性能的钛合金TC11（Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.25Si）和高强韧的钛合金Ti-1300（Ti-5Al-4Mo-3Zr-4Cr-4V）作为研究的基础,采用强度当量和数学模拟相变温度相结合的方法设计了五种具有不同配比的钛合金。利用现代微观分析技术,系统研究了在激光增材制造的超常冶金条件下的组织特征及其成分演变规律。通过结合相关性能检测手段,建立起成分-组织-性能之间的映像关系。在此基础上,为了使沉积态合金获得更好的强韧性配合,对其进行固溶时效热处理,并系统研究了成分变化对钛合金在固溶时效过程中的固态转变特征及力学性能的影响。试验结果表明,所有沉积态合金均是由典型的网篮组织所组成,且随着Ti-1300/TC11比的不断下降,致使沉积态合金的相变温度提高,使得α相的数量和尺寸不断提高。因受α相较软的性质、数量和尺寸等因素的综合影响,沉积态合金的室温硬度和强度随着Ti-1300/TC11比的下降而逐渐下降。由于α相在高温拉伸过程中会发生扭结等现象,致使钛合金的高温强度与室温强度呈现出相反的变化趋势。当沉积态合金的配比为5:5时,获得了最优的室温和高温强度的匹配关系。此外,降低Ti-1300/TC11比提高了Al元素的含量,这有利于提高沉积态合金的抗高温氧化性。受液固凝固区间这一主导因素影响,合金的表面粗糙度随着Ti-1300/TC11比的降低而逐渐降低。沉积态合金经固溶时效热处理后仍保持着网篮组织,其中α相可被分为粗大的初生α相和细小的α时效析出相,这一区别主要是由不同阶段温度差异造成的。随着Ti-1300/TC11比的降低,组织中初生α相的数量增加。受初生α相尺寸较大、数量的综合影响,热处理合金的室温硬度和强度随Ti-1300/TC11比的降低而降低。当沉积态合金的配比为6:4～4:6时,获得了最优的室温和高温强度的匹配关系。
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