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与传统钛合金相比,超细晶钛合金在强度、韧性、塑性、耐磨性等多个方面具有明显优势。等通道转角挤压(ECAP)技术是制备超细晶金属材料的最有效方法之一,虽然已有研究表明能够将ECAP应用于超细晶TC4合金的制备,但是,制备的技术难度和成本非常高。因此,本文通过优化ECAP模具设计和改善工况条件,利用非等温ECAP在较低温度条件下制备了超细晶TC4合金,并对其室温力学性能和热变形行为进行了深入讨论与分析;结合脉冲电流处理技术,进一步改善了ECAP剧烈塑性变形TC4合金的显微组织及其力学性能。压缩和剪切是ECAP变形过程中的两种主要变形形式。本文首先通过基于脉冲电流在线加热TC4合金的压缩和剪切变形研究,分析了脉冲电流的热效应和非热效应对TC4合金力学性能和显微组织的影响,研究了TC4合金的非等温变形行为。一方面,脉冲电流的焦耳热效应是导致TC4合金变形抗力降低的主要原因,在通电状态下,TC4合金试样的温度与电流密度、试样形状尺寸、接触压强、接触面积等因素密切相关。另一方面,脉冲电流的非热效应促进了TC4合金压缩变形过程中的动态再结晶和α→β相变;在TC4合金快速剪切变形过程中,脉冲电流促进了晶粒的晶内变形,避免应力集中导致沿晶界扩展的微裂纹产生,因此,脉冲电流的非热效应对提高TC4合金的塑性变形能力有重要作用。通过不同变形速度条件下的TC4合金压缩和剪切力学曲线对比分析,表明高的变形速率有利于温度逐渐降低的TC4合金非等温塑性变形,为TC4合金非等温ECAP变形工艺提供了重要的参考依据。通过降低试样与挤压凹模以及挤压凹模与支撑模具之间的热传导,并改善其润滑条件,缩短工序时间,以及提高挤压速度,利用非等温ECAP工艺实现了TC4合金的剧烈塑性变形,可以进行最多四道次的ECAP变形,累积应变达到4.5,成功制备了超细晶TC4合金。显微组织观察表明,四道次ECAP制备超细晶TC4合金中包含有大量的亚微米晶粒和胞状亚结构,同时,在显微组织中观察到大量形变孪晶,说明孪生在TC4合金非等温ECAP过程中起到重要协调变形作用。室温力学性能测试结果表明,ECAP制备超细晶TC4合金的显微硬度和抗压强度都有显著提升,分别达到392HV和1435MPa,与原始TC4合金相比,分别提高了6.5%和12%。对比未经ECAP变形TC4合金(Pre-ECAP)和ECAP制备超细晶TC4合金(Post-ECAP)的热压缩变形行为。当变形温度为500℃变形时,Post-ECAP合金的压缩强度较高;当变形温度为600℃和700℃时,Post-ECAP合金的压缩强度低于Pre-ECAP合金,表现出较好的塑性变形能力。以Pre-ECAP和Post-ECAP为原材料,采用热镦挤工艺,在650℃~700℃成形了TC4合金紧固件螺钉,通过宏观形貌观察,Pre-ECAP成形紧固件螺钉端部出现裂纹,表明Post-ECAP的热成形性能优于Pre-ECAP;经室温拉伸力学性能测试,Post-ECAP紧固件螺钉的抗拉强度达到1190Mpa,较Pre-ECAP提高了15.5%,从而验证了超细晶TC4合金在热成形性能和力学性能方面的优越性。尽管ECAP制备的超细晶TC4合金具有非常高的室温强度,但是因其较高的位错密度,组织均匀性和稳定性差,导致其室温塑性很差。传统工艺中通常采用退火热处理的方式提高其塑性和韧性,然而退火处理时间过长或者温度过高都会导致晶粒的长大,降低材料的力学性能。为获得更优的力学性能,本文采用脉冲电流处理经ECAP剧烈塑性变形的TC4合金。结果表明,脉冲电流能够在较短时间内促进剧烈塑性变形TC4合金的静态再结晶和α→β相变,降低其位错密度,获得了具有稳定均匀显微组织的超细晶TC4合金。通过室温拉伸试验表明,在强度没有明显降低的前提下,ECAP制备超细晶TC4合金的延伸率提高了66.5%。与传统退火处理工艺相比,脉冲电流处理为剧烈塑性变形TC4合金显微组织的改善和综合力学性能的提升提供了一种节能、高效、环保的新技术。