随着短时高速飞行器飞行速度的不断提高,对钛合金的室温塑性、高温强度和高温大应力下的持久性能提出了更高的要求。常用高温钛合金的铝当量([Al]eq)已达到临界值,α稳定元素和中性元素含量的调节余地不大。在对600～650℃短时高温钛合金成分设计时,应重点调整β稳定元素(Mo、Nb、W)的含量。目前,关于各β稳定元素对短时高温钛合金组织与性能的影响及其含量控制的研究还不够完善。因此,本文在现有高温钛合金的基础上添加了不同含量的Mo、Nb、W元素,成功设计并制备了新型Ti-6.5Al-2Sn-4Zr-x(Mo-Nb-W)-0.2Si系短时高温钛合金。以该合金系为研究对象,系统研究了 Mo、Nb、W各元素及Kβ值对合金显微组织与力学性能的影响规律,确定了元素的添加范围;探讨了合金热处理-组织-性能之间的关系以及合金在高温拉伸过程中的变形行为与断裂行为。主要研究结果如下:对经相同制度热处理后的合金组织与性能进行对比发现,合金经简单的退火处理后,随着Mo、W含量的增加,65℃抗拉强度逐渐上升,并且W含量的增加可有效提高合金在650℃、大应力下的持久寿命;但当Mo、W含量过多时,合金中残余β相含量显著增多,各相尺寸明显细化,会降低合金650℃屈服强度。Nb元素的加入可有效固溶强化α相和β相,且对合金显微组织影响较小,加入一定量的Nb对提高屈服强度有利。研究表明,当Kβ值为0.2～0.3,Mo、W、Nb三种元素的添加量分别控制在1～2wt%、1～2wt%、2wt%时,合金的综合性能较为优异,室温延伸率可达13.5%、断面收缩率大于35%,650℃下抗拉强度可达700MPa、屈服强度大于520MPa,650℃/425MPa和650℃/350MPa下的持久寿命分别可以达到1h和2.5h以上。对经不同制度热处理后的合金组织与性能进行研究发现,当合金在单级退火时,随着退火温度的升高,等轴状αp相含量逐渐减少,αs相片层厚度增加,αp相和βt组织中α稳定元素含量升高,β稳定元素含量降低;并且随退火温度的升高,合金的室温塑性逐渐降低,650℃强度升高。合金经(Tβ-20℃)/2h,AC单级退火后,获得了等轴状αp相含量在30%左右的双态组织,具有室温塑性和高温强度的良好匹配。当合金在600～830℃第二级退火时,α相中析出了与基体共格的α2相,且随第二级退火温度的升高或退火时间的延长,α2相发生聚集长大,粒子间距增大。当α2相尺寸小于6nm时,随其尺寸增大,合金650℃屈服强度升高,位错切过α2相机制发挥作用;随α2相尺寸继续增大,位错绕过α2相机制发挥作用,合金650℃屈服强度逐渐降低。对合金高温拉伸变形行为研究发现,当合金在650℃拉伸时,等轴状αp相的变形以位错滑移为主,变形后的αp相晶粒被拉长,而片层状的αs相在拉伸过程中发生了动态再结晶。对合金高温拉伸断裂行为研究发现,在600℃拉伸时,5M0N1W合金发生穿晶断裂,而1M3N0.5W合金发生沿晶断裂。Mo、W可以提高合金600℃界面强度,随二者含量的增加,合金的等强温度升高。在650℃拉伸时,合金均发生了微孔聚集型沿晶断裂。随着Mo、W含量的增加,合金中残余β相含量增多,各相尺寸细化,在650℃拉伸时变形协调性好,微孔不易在界面上形核,并且Mo、W的加入还可以强化合金界面,抑制裂纹沿界面扩展,有利于提高合金的抗拉强度和塑性。