近β高强钛基复合材料塑性变形行为及组织性能调控

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近β高强钛基复合材料(TMCs)完美继承传统高强β钛合金可加工性的同时,结合增强体本身性能,改善了高强β钛合金普遍存在的铸态晶粒粗大问题,优化了耐磨性、抗氧化性、冷加工性等性能,进一步推动钛金属材料在现代工业中更广阔应用。本论文对2vol.%TiC/Ti-4Al-1Sn-2Zr-5Mo-8V-2.5Cr进行了一系列机械加工研究。综合分析了不同的加工方式对其微观组织及力学性能的影响。此外,对TMCs的传统轧制工艺进行了优化,采用了衬板轧制工艺,制备了质量优良的TMCs板材。主要研究结论如下:铸态2 vol.%TiC/Ti-4Al-1Sn-2Zr-5Mo-8V-2.5Cr中TiC颗粒由于凝固路径的原因,形成了树枝状和等轴状相貌。成分过冷和颗粒的钉扎作用细化了材料晶粒,提升了材料力学性能。铸态2 vol.%TiC/Ti-4Al-1Sn-2Zr-5Mo-8V-2.5Cr力学性能为:UTS:1056 MPa,EL:1.8%。其流动峰值应力随着温度的升高以及应变速率的降低而降低。计算了热压缩过程中产生的变形热,且修正了其对于压缩曲线的影响。计算出铸态TMCs的热激活能为386.004 k J/mol。并构建了高温变形本构方程。绘制了铸态TMCs复合材料的热加工图。由加工图可以看出,失稳区在真应变为0.7及1.4时均处于低温高应变速率区域。在变形温度为850-880℃,应变速率为0.1-1 s-1时,复合材料出现了局部流动区域,发生了变形失稳。其他区域则具有良好的材料变形流变行为,具有良好的可加工性。通过EBSD技术研究了热压缩微观组织及织构演变。结果表明,热压缩过程中存在着变形不均匀现象,变形中心区域变形量较大,然而两边变形量较小。热压缩织构主要是(001)和(111)织构。经过降温多向棒材锻造后,材料晶粒沿着锻造拔长方向拉长,且晶粒及TiC颗粒尺寸被细化。由于细晶强化、TiC颗粒的载荷传递及第二相强化,TMCs经过锻造后力学性能从铸态的820.2 MPa增长至1136.9 MPa,涨幅达38.6%。塑性增长较为可观,经锻造后增长554.7%,为14.6%。经过不同相区固溶处理之后,材料强度下降但是塑性升高。TMCs室温轧制后强度增加,塑性降低。不同温度中间热处理后进行不同变形量轧制后其组织及力学性能不同。双相区(730℃)处理后不同变形量室温轧制板材组织及力学性能由于初生α相的存在有更好的表现,经80%变形量后强度为1403 MPa,塑性为2.8%。其在所有变形量下塑性均优于单相区中间热处理。说明双相区中间热处理后TMCs更适合室温轧制。衬板轧制后,TMCs板材获得了更好的综合质量。材料在860℃固溶处理2 min后平均晶粒尺寸为12.5μm;当固溶时间进一步增加,晶粒发生了粗化。随着固溶温度与保温时间的升高,初生α相以及形变组织逐渐消失。当温度升高至900℃时,晶粒尺寸增加幅度较高,其平均晶粒尺寸为23.8μm。这说明温度的升高对晶粒尺寸影响相比保温时间较大。TMCs经过固溶处理后,材料出现了再结晶织构。对着固溶程度的增加,初始的形变织构组分{112}<1-10>逐渐消失。再结晶织构组分{111}<1-10>及{111}<0-11>随着固溶时间及固溶温度的增加,其织构强度增加。衬板轧制板材力学性能得到了提升:强度可达1564 MPa,塑性为3.3%。随着固溶时间及温度的增加,晶粒发生粗化,长时间及较高温度的固溶会导致材料力学性能的下降。在860℃固溶2 min后,获得了较优秀的强塑性匹配:强度:1211 MPa,塑性:16%。这为TMCs材料后期的成形研究奠定了坚实的基础。
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