兩相鈦合金片層組織的靜態(tài)球化行為

通過熱壓縮試驗研究了具有初始β轉(zhuǎn)變組織的tc11鈦合金在兩相區(qū)800~980℃和應(yīng)變速率0.001~0.1s-1范圍內(nèi)的熱變形行為和組織演變。分析了該合金在試驗參數(shù)范圍內(nèi)變形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征。動力學(xué)分析獲得該合金在兩相區(qū)變形的應(yīng)力指數(shù)和變形激活能分別為4.42和490.8kj.mol-1,說明變形主要是位錯的滑移和攀移過程。分析變形組織認為,片層組織的球化和彎折是兩相區(qū)變形應(yīng)力軟化的原因。溫度和應(yīng)變速率嚴重影響片層組織球化過程的進行,980℃,0.001s-1和0.01s-1,以及950℃,0.001s-1條件下變形有利于片層組織球化過程的充分進行。900~980℃,0.001~0.1s-1球化過程中,變形到穩(wěn)態(tài)的等軸α直徑與溫度補償應(yīng)變速率參數(shù)z呈對數(shù)線性關(guān)系。

鈦合金片層組織在兩相區(qū)變形時流動應(yīng)力隨應(yīng)變的增加普遍表現(xiàn)為快速硬化和持續(xù)軟化的特征.為了研究該流動軟化的機理,采用等溫?zé)釅嚎s實驗研究了tc11合金片層組織在溫度890—995℃和應(yīng)變速率0.01—10s~(-1)范圍內(nèi)的熱變形行為.理論計算表明α/β片層界面(α片層內(nèi)孿晶界)產(chǎn)生的hall-petch強化效應(yīng)遠大于片層束集邊界.tc11合金片層組織高溫變形的流動軟化機理可歸結(jié)為硬滑移模式向軟滑移模式轉(zhuǎn)變導(dǎo)致hall-petch強化效應(yīng)的減弱.

介紹了目前國內(nèi)外在鈦合金片層組織的球化規(guī)律及模型方面的的研究成果.主要探討了熱變形參數(shù)、原始晶粒大小、加工方式對鈦合金片層組織球化規(guī)律的影響及幾種主要的球化機制模型.

采用tem、sem和ebsd等組織分析技術(shù)研究了β退火態(tài)片層組織tc11鈦合金兩相區(qū)熱變形球化過程中組織的精細結(jié)構(gòu)和晶界特征。結(jié)果表明,片層組織的球化過程包括α片內(nèi)小角度晶界形變和回復(fù)亞結(jié)構(gòu)的形成、β相沿亞晶界擴散和晶界滑動作用下片層的解體以及晶界擴散和滑動驅(qū)動下α晶粒的球化和組織的均勻化。ebsd測試結(jié)果揭示了片層組織兩相區(qū)熱變形的球化機制為α相的連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶和β相的動態(tài)回復(fù)或不連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶過程。

采用大規(guī)模并行計算進行鈦合金中片層組織生長相場模型的數(shù)值模擬.針對allen-cahn和cahn-hilliard等相場模擬方程,在均勻網(wǎng)格上采用時域有限差分顯式時間步進和算子分裂的數(shù)值算法.基于消息傳遞接口(mpi)實現(xiàn)三維區(qū)域分解和計算與通信重疊的并行算法.在深騰7000上通過測試,顯示程序具有良好的可擴展性.在10243計算網(wǎng)格上使用4096核的并行效率達到94.2%,每個時間步耗時約0.2s.

在gleeble-1500熱模擬試驗機上通過熱壓縮試驗研究具有初始片層組織的tc17鈦合金在變形溫度為780～860℃、應(yīng)變速率為0.001～10s~(-1)、變形量為15%～75%范圍內(nèi)的組織演變,定量分析熱變形參數(shù)對片層組織動態(tài)球化過程的影響。采用結(jié)合貝葉斯歸一化算法的bp人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),建立tc17鈦合金片層組織動態(tài)球化演變的預(yù)測模型,誤差分析表明模型精度較好。

分別以1020℃保溫30min后空冷和爐冷得到的ta15合金為原材料,對其進行等溫恒應(yīng)變速率壓縮試驗,研究了溫度800～950℃、應(yīng)變速率0.001～1s-1、真應(yīng)變0.51～1.20時,不同原始α片層厚度對ta15合金動態(tài)球化行為的影響。結(jié)果表明:真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)出明顯的流動軟化,峰值應(yīng)力和流動軟化率對α片層厚度的依賴程度較小。當(dāng)熱變形參數(shù)相同時,細片狀比粗片狀組織更容易發(fā)生動態(tài)球化,這與其在試驗范圍內(nèi)測得的變形激活能分別為597kj/mol和650kj/mol是一致的。ta15合金中片狀α除了形成低和高角度界面及強烈的局部剪切帶導(dǎo)致動態(tài)球化外,還有動態(tài)再結(jié)晶等其它方式。

通過熱壓縮試驗研究了tc11鈦合金退火態(tài)片層組織在兩相區(qū)980℃,950℃,850℃,應(yīng)變速率0.001s-1,0.01s-1條件下,變形程度30%~70%范圍內(nèi)的熱變形過程。分析了熱變形參數(shù)對變形行為和片層組織球化過程的影響,并根據(jù)片層組織球化分數(shù)演變特征,建立了修正的avrami片層組織球化動力學(xué)方程,與試驗數(shù)據(jù)吻合較好。

對具有片層α相的ti-17合金圓餅在兩相區(qū)進行5種變形程度的等溫鍛造及固溶時效處理,用定量金相學(xué)方法研究了片層α相在熱加工過程中的演變規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn):α相的厚度隨著應(yīng)變量的增大而增大;變形程度及圓餅的變形區(qū)域?qū)Ζ料嘈螒B(tài)的變化有很大影響。隨變形程度的增大,α相的形態(tài)參數(shù)feretratio(feretmax/feretmin)的分布曲線在feretratio介于1.5～2.5區(qū)間出現(xiàn)單峰,且峰值不斷增大,大feretratio的α相比例逐漸減小。圓餅中心位置的feretratio分布曲線具有較大的峰值。大變形使片層α相的等軸化程度提高,改善了圓餅的組織均勻性。等效應(yīng)變對組織中不同形態(tài)α相分布的影響曲線表明:球化α相比例隨著等效應(yīng)變的增大呈單調(diào)增大,增大速率表現(xiàn)為慢—快—極慢的分階段特征;近等軸狀的α相比例先快速增長后不斷減少;片層狀和大片層狀α相比例隨著等效應(yīng)變增大呈單調(diào)減少。片層α相的臨界球化與完全球化的等效應(yīng)變分別約為0.4與1.0。

采用等溫壓縮實驗研究了具有不同初始片層厚度(3μm和0.4μm)的tc11合金兩相區(qū)變形時的微觀組織演化,其中壓縮實驗的變形溫度為920℃~980℃,應(yīng)變速率為0.1s-1~1s-1,變形量為30%~70%。金相分析表明具有片層組織的tc11合金兩相區(qū)變形時微觀組織演化主要為α片層的球化過程。進一步的研究結(jié)果表明:在相同的變形工藝參數(shù)下,細片層組織(片層厚度0.4μm)的球化程度高于粗片層組織(片層厚度3μm);兩種初始片層厚度組織的球化程度均隨應(yīng)變的增加和應(yīng)變速率的降低而提高;變形溫度對兩者球化程度的影響存在不同的規(guī)律:粗片層組織的球化程度隨溫度的升高而增加,細片層組織的球化程度隨溫度的升高而降低;初始片層厚度和應(yīng)變是影響tc11合金片層組織球化的主要因素,在兩相區(qū)變形之前可通過β熱處理+快速冷卻得到細片層和采用反復(fù)鐓拔等大應(yīng)變變形得到片層完全球化的細晶等軸態(tài)組織。

研究了1150℃時效時ti-48al合金全片層組織的連續(xù)粗化機制。片層組織的連續(xù)粗化不僅能通過片層界面缺陷(如臺階、端部、彎曲的界面等)遷移來實現(xiàn)，而且可以通過γ/γ片層界面遷移或分解的方式來實現(xiàn)；在真孿晶、偽孿晶和120°旋轉(zhuǎn)有序型γ/γ界面當(dāng)中，120°旋轉(zhuǎn)有序界面的穩(wěn)定性最低，最容易遷移或分解；γ片層內(nèi)的120°旋轉(zhuǎn)有序疇界與片層界面的交匯處易形成熱溝(thermalgroove)，它往往成為片層界面發(fā)生分解的起始部位。

研究了通過熱處理制度調(diào)整,在合金α片層之間形成細小的條狀次生α相,形成一種新型的鈦合金顯微組織——雙片層組織。通過對比等軸組織、雙態(tài)組織、片層組織和雙片層組織的性能,結(jié)果表明,在合金的強度和塑性不損失的條件下,雙片層組織進一步提高了裂紋在合金中的擴展阻抗,使得合金的斷裂韌性得到改善,疲勞裂紋擴展速率得到降低。雙片層組織提高了疲勞裂紋擴展路徑,使得大量的次生裂紋萌生。

進行了強磁場下bi-mn合金的全熔和半固態(tài)實驗,研究了mnbi相在強磁場中的凝固行為.在10t強磁場下從全熔態(tài)和curie點以上半固態(tài)開始凝固的實驗中,mnbi相在360℃左右逐漸形成片狀相,其短軸為易磁化軸;加磁場后易磁化軸轉(zhuǎn)向磁場方向,并沿磁場方向定向排列和聚合,最終形成條狀組織;片狀相在強磁場的作用下有分裂趨勢.結(jié)合晶體的磁各向異性和生長各向異性的特點,從磁化理論和晶體學(xué)出發(fā),分析了bi-mn合金初生mnbi相在磁場中的凝固行為.

胸壁巨大腫瘤切除鈦合金片修補胸壁缺損的護理

為了研究雙相γ+α2鈦合金晶體中片層組織的承載特性,建立了相應(yīng)晶體不同取向力學(xué)性能的數(shù)學(xué)模型,并計算了γ相及γ+α2片層組織不同取向的承載力.通過對模型的數(shù)值求解,得到γ相和γ+α2片層組織的承載力隨不同加載方向的變化規(guī)律.計算結(jié)果表明:隨著α2相體積分數(shù)的增加,γ+α2片層組織的最大承載力方向逐漸趨向平行于α2相的(0001)面,臨界α2相等價體積分數(shù)為λe=30%.這從理論上解釋了γ+α2片層組織的最大承載力方向為平行于α2相的(0001)面這一傳統(tǒng)觀點.這一結(jié)論成立的條件為α2相等價體積分數(shù)λe>30%.

利用金相顯微鏡、掃描和透射電鏡等儀器表征了tial合金的片層組織及結(jié)構(gòu)特征,研究了ti-48alat%合金片層組織的形成機制和片層組織細化工藝及其機理。結(jié)果表明,ti-48al合金單級熱處理能夠得到全片層組織,平均晶粒尺寸約150μm,片層間距約1.30μm。其形成過程是:γ相在α相晶內(nèi)(0001)面上通過全位錯分解成核,通過不全位錯滑移、層錯區(qū)擴展而長大。循環(huán)熱處理和雙溫?zé)崽幚砭軐⑵瑢泳Я３叽缂毣?0μm,片層間距0.90μm,前者的細化機理為相變重結(jié)晶細化了α相晶粒,后者細化片層組織的關(guān)鍵在于低溫段(α2+γ)兩相區(qū)熱處理形成細小的雙態(tài)組織。

研究tc21合金經(jīng)β相區(qū)固溶并慢速冷卻后的片層組織特征(晶界α層厚度、α片層寬度、α集束尺寸)及斷裂韌度隨冷卻速率的變化規(guī)律,探討片層組織特征與斷裂韌度的關(guān)系。結(jié)果表明:隨著冷卻速率的增大,tc21合金α片層集束、α片層厚度及晶界α層寬度均減小。在本文實驗測試尺度范圍內(nèi),α片層寬度、α片層集束尺寸及晶界α層厚度的增大均可提高合金的斷裂韌性。

鈦與鈦合金

為了提高低碳合金鋼板的強度,進行了終軋溫度為710℃的(α+γ)兩相區(qū)和γ單相區(qū)的熱軋對比試驗。結(jié)果表明:與終軋溫度為800℃奧氏體單相區(qū)軋制的鋼板相比,采用終軋溫度為710℃的兩相區(qū)熱軋工藝所得到的鋼板強度并沒有增加;而且,(α+γ)兩相區(qū)軋制條件下所得到的多邊形鐵素體組織具有二個特征,一是呈現(xiàn)仿晶界型鐵素體形貌,二是部分鐵素體晶粒沿軋制方向被拉長,一定程度上出現(xiàn)織構(gòu)現(xiàn)象,但不十分明顯。

我廠自制的小型真空爐,處理鐵鎳合金片,消除加工和恢復(fù)大晶粒。爐底有輪,可在軌道上運行,爐膛可與裝料管迅速脫離,達到急速冷卻等特點。

汽輪機葉片鑲置司太立合金片的工藝探討

實驗采用gleeble-1500d熱模擬試驗機對5052鋁合金進行等溫?zé)釅嚎s,研究了該合金動態(tài)軟化特征和靜態(tài)軟化特征,變形溫度330~480℃,應(yīng)變速0.005~0.05/s。結(jié)果表明,5052鋁合金在熱壓縮過程中發(fā)生了動態(tài)軟化和靜態(tài)軟化,首道次壓下量顯著地影響了道次間的靜態(tài)軟化率。結(jié)合流變應(yīng)力曲線和顯微組織分析,揭示了動態(tài)軟化機制主要為動態(tài)回復(fù),而靜態(tài)軟化主要是靜態(tài)再結(jié)晶的結(jié)果。