摘 要

钛及钛合金因为其力学性能的综合性能较高, 得到高度重视并加以广泛应用。钛合金轻质金属结构材料的应用已经得到越来越多的认可，它们的特征在于在冷却过程中，高温稳定的相（bcc）转变为低温稳定的相（hcp）。TC4-F合金是Ti6Al4V合金加入少量Fe元素后，得到的具有较低成本且性能更高的新型钛合金。

本课题以TC4-F合金为研究对象，采用连续冷却热膨胀法(DIL) 研究TC4-F合金在冷却过程中的α相析出过程的热膨胀行为和显微组织演化。研究结果表明，TC4-F合金不同降温速率下β→α相转变温度区间，其中在5K/min的升温速率下α析出过程的相变温度区间为556-930°C；结合热膨胀曲线，得出TC4-F合金β→α相转变分数曲线，曲线表现出典型的“S”型曲线，表明α相回溶过程是形核长大控制机制；通过Kissinger-Akahira-Sunose（KAS）方程得出TC4-F合金相变激活能分别为198KJ/mol并建立降温过程的Continuous Cooling Transformation（CCT）图。

关键词：TC4-F 钛合金 热膨胀法 相变激活能 CCT图

Investigation on Phase Transition Kinetics of TC4-F Titanium Alloy during Continuous Cooling Process

ABSTRACT

Titanium alloys are highly valued and widely used because of their high comprehensive mechanical properties. The application of light metal structural materials of titanium alloys has been more and more recognized. Their characteristics lie in the transformation of high temperature stable beta phase (bcc) into low temperature stable alpha phase (hcp) during cooling process. TC4-F alloy is a new type of Ti6Al4V alloy with lower cost and higher performance after adding a small amount of Fe element.

The thermal expansion behavior and microstructural evolution of TC4-F alloy during precipitation of alpha phase during cooling were studied by continuous cooling thermal expansion method (DIL). The results show that the temperature range of phase transformation from beta to alpha in TC4-F alloy at different cooling rates. The transition temperature range of alpha precipitation at 5K/min is 556-930°C.And the fractional curve of beta→alpha phase transformation in TC4-F alloy is obtained by combining the thermal expansion curve, which shows a typical "S" curve, indicating that the nucleation and growth control mechanism is the process of alpha phase dissolution through Kissinger-Akahira-Sunose (KAS) equation shows that the activation energies of phase transformation of TC4-F alloy are 198KJ/mol and the continuous Cooling Transformation (CCT) diagrams of cooling process are established.

Keywords: TC4-F;Titaniuzalloy; Thermal expansion method; Phase transformation activation energy; CCT diagram.

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 TC4合金及其应用 2

1.3 钛合金的典型组织 2

1.3.1魏氏组织 2

1.3.2等轴组织 2

1.3.3双态组织 3

1.4 钛合金的相变 3

1.4.1同素异构转变 3

1.4.2马氏体相变 4

1.4.3亚稳β相分解 4

1.5 钛合金相变动力学 4

1.6 合金的冷却过程变化 5

1.6.1冷却过程 5

1.6.2.冷却速率对显微组织的影响 6

1.7 CCT曲线的建立 6

1.8 课题研究思路与内容 8

1.8.1 研究内容 8

1.8.2 研究思路 8

第二章 实验材料与研究方法 9

2.1 实验材料 9

2.2 实验仪器设备 9

2.2.1 热膨胀装置 10

2.2.2 金相镶嵌装置 10

2.2.3 金相抛光装置 11

2.2.4 显微镜 11

2.3 实验内容 12

2.4 实验方案 12

2.5 相变动力学研究 12

2.5.1 热膨胀仪原理 12

2.5.2 相变激活能E的研究 13

2.5.3 Avrami指数n的研究 13

2.5.4 CCT曲线的建立 14

2.6 组织演变研究 15

第三章 实验结果分析与讨论 16

3.1 连续冷却的热膨胀曲线 16

3.2 连续降温过程中的相转变动力学 17

3.3 相变激活能 18

3.4 基于KJMA模型的β → α相转变机制分析 19

3.5 TC4-F合金β → α相转变CCT图 21

3.6 组织验证 21

第四章 结论 23

参考文献 24

致 谢 28

第一章 绪论

1.1 引言

钛及钛合金因为其力学性能的综合性能较高(轻质、高强、耐腐蚀、生物相容性优异)，已经在航空、航天、船舶、石油、化工、兵器、电子等行业得到高度重视并加以广泛应用^[1]。近些年，钛合金轻质金属结构材料的应用已经得到越来越多的认可。它们的特征在于在冷却过程中，高温稳定的相（bcc）转变为低温稳定的相（hcp）。这种转变温度称为β转变温度（），并且强烈地受到合金化学成分的影响^[4]。一定数量的、稳定元素允许和相在室温下共存，从而形成两相体系。钛合金按其退火后室温组织的不同可分为：α钛合金、β钛合金以及α β钛合金。按照钛合金中α相和β相含量可以进一步分为近α型和亚稳β钛合金。

1954年，美国研究出一种加工方式优秀和使用能力较好的α β钛合金(Ti-6Al-4V合金)，这种合金的比强度良好、耐蚀性能优秀、热稳定性优秀，所以被使用在航空航天领域，可以用来建造飞机和军事上的各种零件，是目前十分好用的材料；并且由于TC4合金有优秀的耐蚀性，也成为了海上、资源、工业等行业的理想的使用材料^[2]，时至今日依然是世界上使用最为广泛的合金，占钛材消费量的50%左右。但 TC4 合金的缺点也十分明显:(1)具有相对较低的合金抗拉强度，很难胜任高强度的需求; (2)热加工性相对较差，高温塑性变形加工时流变抗力较大，研究表明在 TC4 中添加少量Fe 元素，可以提高加工性能，减少加工成本。

钛合金的性能与其显微状态下的组织特征有着十分密切关系，其金相的特征是由其热处理工艺决定。合金在热处理工艺中各种各样的相转变又决定着合金的组织演变规律，不一样的热处理会让合金中相产生不同的变化，然后会使合金综合能力得到变化。熟知TC4合金不同相转变的规律，然后加以利用这种规律来改变热处理方式的参数，就可以使合金的相发生改变，这种方法可以用于对合金进行深入了解，可以发现合金更多的用处，并且可以开发新型钛合金。相变的研究方法大致有热膨胀法、原位电阻法和同步射线衍射原位分析法，他们的原理都是由温度的变化使材料发生变化接着研究他们的相变行为。但是后面两个实验方法不容易实现，需要比较高的实验条。而对于连续升温热膨胀分析法，就可以用现有的实验仪器进行实验，可测量相变温度和宏观体积变化，近年来已大量成功应用于钛合金的相变研究以及研究钢、铝、铜合金^[2]。

1.2 TC4合金及其应用

这是一种较为优秀的α β两相钛合金，α、β两相要实现转变大约需要达到985°C。TC4各方面十分均衡，在国家重大项目等各种地方都有着十分关键的作用。对于航空方面刚出台的各项新政策，主要降低运行成本，所以综合性能和密度就显得十分关键。飞机结构件一个主要减重方法是采用比强度高、综合性能好的α β型钛合金，可减轻质量10%或更多^[3]。

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