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钛合金晶粒细化可有效提高材料的强度、韧性以及腐蚀性能,目前采用大塑性变形方法制备细晶钛合金依然存在加工的工件尺寸较小,制备的材料存在明显的织构倾向等问题。连续变断面循环挤压(continuous variable cross-section recycled extrusion,CVCE)是制备大规格块体细晶材料的一种新型大塑性变形方法,操作比较简单,效率高,且能够实现变形体的均匀变形控制,有利于实现工业化生产。本文对TC4合金进行CVCE变形,并对变形后的材料进行热处理,研究了变形工艺参数以及热处理制度对合金组织性能的影响,并采用DEFORM软件对变形效果较好的一组工艺参数(800℃,6loops,2mm/s)变形时的温度场、应变场进行模拟。主要研究内容及结论如下:(1)采用不同的工艺参数对TC4钛合金进行连续变断面循环挤压,分析了变形温度、变形道次、变形速度对其组织的影响。结果表明:在临近再结晶温度(700℃和750℃)变形时,随着变形道次的增加,晶粒的细化程度增加;在再结晶温度以上(800℃~900℃)变形时,随着变形道次的增加,晶粒尺寸先减小后增大。随着变形温度的升高,晶粒的细化程度先增大再减小。综合分析,可获得较优的工艺参数为800℃,6loops,2mm/s,初生α相尺寸由14μm细化至2~3μm左右,且组织的均匀性较好。(2)研究了退火温度及退火时间对CVCE变形后TC4钛合金组织结构的影响。选择接近再结晶的温度进行退火处理,退火温度升高至800℃时工艺参数为750℃,6道次,2mm/s和700℃,6道次,2mm/s的变形组织其晶粒尺寸由10~13μm细化至4~7μm。当退火温度为750℃时,变形时间增长至2h可对变形工艺参数为800℃,6道次,2mm/s和750℃,12道次,2mm/s以及700℃,12道次,2mm/s的变形组织实现再结晶细化。变形工艺参数为800℃,6道次,2mm/s最优的热处理制度为750℃,保温2h空冷,初生α相尺寸为3~5μm,且组织晶界清晰,次生α相的等轴化程度增高。(3)利用透射电子显微镜观察连续变断面循环挤压以及热处理后试样材料的微观组织,揭示了组织的细化机理。结果表明,当变形温度为750℃时,组织的细化机制主要是以形变诱导晶粒细化为主,800℃时为动态再结晶细化晶粒;CVCE变形组织热处理时主要是以再结晶实现晶粒细化。(4)采用DEFORM软件对较优的变形工艺参数(800℃,6loops,2mm/s)进行温度场以及应变场的模拟,变形过程中发生变形能和热能之间转换,随着变形道次的增加应变量不断累积,变形道次为6时,试样中间部位的累积应变量可达到5.22~6.26,且分布较为均匀。