摘 要

Ti-6Al-4V-0.3Fe 是以 Ti-6Al-4V 合金为基础而添加 0.3 wt.% Fe 元素得到的一种钛合金。我们通过加入少量的 Fe 元素，探究热压缩对 Ti-6Al-4V-0.3Fe 显微组织及力学性能的影响。本实验通过使用 Gleeble-3800 热模拟压缩试验机来研究 Ti-6Al-4V-0.3Fe 的热压缩变形行为，实验是在热压缩温度为 800~1000℃，变形速率为 0.01s^-1 和 1s^-1 的变形条件下进行的。研究不同热压缩条件下合金的应力—应变曲线、显微组织以及显微硬度的变化规律，最终确定该材料最合适的热加工参数。本论文中取得的主要研究成果和结论如下：（1） 随着热压缩温度的升高，Ti-6Al-4V-0.3Fe 的原始片层组织发生了球化行为；在温度为 1000℃ 时，出现了动态再结晶（DRX）现象；（2） Ti-6Al-4V-0.3Fe 的热压缩变形行为对热压缩温度和热压缩速率的变化较为敏感。峰值应力随着圧缩温度的增加而降低，在压缩速率 1s^-1 下随着热压缩温度从 800℃ 升到 1000℃，流变的峰值应力从 270MPa 降到 66MPa。峰值应力随着应变速率的增加而增加，在 800℃ 下，压缩速率从 0.01s^-1 到 1s^-1，峰值应力从 84MPa 升到 270Mpa；（3） 晶粒的尺寸大小和 Ti-6Al-4V-0.3Fe 的显微硬度有关，在 1s^-1 压缩速率下，随着压缩温度从 800℃ 升到 1000℃，显微硬度从 370.37HV 降低到 344.33HV。在 800℃下，随着压缩速率从 0.01s^-1 升高到 1s^-1，显微硬度从 370.37HV 升高到 380.58HV。

关键词：热压缩 显微组织 钛合金 流变应力

Effect of Hot Compression on Microstructure and Mechanical Properties of Ti-6Al-4V-0.3Fe

ABSTRACT

Ti-6Al-4V-0.3Fe is a kind of titanium alloy based on Ti-6Al-4V alloy with 0.3 wt.% Fe added. The effects of hot compression on microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V-0.3Fe were investigated by adding a small amount of Fe. This experiment by using Gleeble-3800 thermal simulation of compression testing machine to study the hot compressive deformation behavior of Ti-6-Al-4V-0.3Fe, the experiment is in hot compression temperature is 800 ~ 1000℃, the deformation rate of 0.01s^-1 and 1s^-1 under conditions of deformation. The stress - strain curve, microstructure and microhardness of the alloy under different hot compression conditions were studied. The main research results and conclusions obtained in this paper are as follows: When temperature is 1000℃, the dynamic recrystallization phenomena (DRX); (2) The hot compression deformation behavior of Ti-6Al-4V-0.3Fe is sensitive to the changes of the thermal compression temperature and the thermal compression rate. Peak stress and decreased with the increase of hot compression temperature, at the deformation rate of 1s^-1 as the hot compress temperature rose from 800℃ to 1000℃, the peak stress of rheological from 270MPa to 66MPa. Peak stress increased with the increase of strain rate increase, at 800℃, the hot compression ratio from 0.01s^-1 to 1s^-1, peak stress rose from 84MPa to 270MPa; (3) The size of the grain size is related to the hardness of Ti-6-Al-4V-0.3Fe, under the 1s^-1 hot compression rate, as the hot compress temperature rose from 800℃ to 800℃, hardness reduced from 370.37HV to 370.37HV. at 800℃, as the hot compression rate increased from 0.01 s^-1 to 1s^-1, hardness increased from 370.37HV to 380.58HV.

Keywords: Thermal compression ; Microstructure ; Titanium alloy ; The flow stress

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 钛合金概述 1

1.2.1 Ti-6Al-4V 钛合金简介 1

1.2.2 Ti-6Al-4V 钛合金的应用 2

1.3 合金成分的添加对 Ti-6Al-4V 合金组织与性能的影响 2

1.3.1 钛合金 α 稳定元素的添加 3

1.3.2 钛合金 β 稳定元素的添加 3

1.4 热变形行为对 Ti-6Al-4V 钛合金的影响 4

1.4.1 显微组织的影响 4

1.4.2 力学性能的影响 6

1.5 本课题的研究目的和意义 7

第二章 实验部分 8

2.1 实验整体路线 8

2.2 实验材料与仪器 9

2.2.1 Ti-6Al-4V-0.3Fe 的制备 9

2.2.2 实验仪器 9

2.3 实验过程 10

2.3.1 测量相变点 10

2.3.2 热压缩实验 11

2.3.3 试样的金相制备与显微组织观察 12

2.3.4显微硬度的测试 13

2.3.5 X 射线衍射分析 13

第三章 实验结果分析与讨论 15

3.1 Ti-6Al-4V-0.3Fe初始金相的显微组织 15

3.2 Ti-6Al-4V-0.3Fe 热压缩后的显微组织分析 15

3.2.1 不同的热压缩温度对 Ti-6Al-4V-0.3Fe 显微组织的影响 15

3.2.2 不同压缩速率对 Ti-6Al-4V-0.3Fe 显微组织的影响 18

3.3 热压缩参数对 Ti-6Al-4V-0.3Fe 流变应力的影响 19

3.3.1 压缩速率对Ti-6Al-4V-0.3Fe流变应力的影响 20

3.3.2 热压缩温度对Ti-6Al-4V-0.3Fe流变应力的影响 22

3.4 热压缩参数对 Ti-6Al-4V-0.3Fe 显微硬度的影响规律 23

3.4.1 热压缩速率对Ti-6Al-4V-0.3Fe 显微硬度的影响 23

3.4.2 热压缩温度对Ti-6Al-4V-0.3Fe显微硬度的影响 24

第四章 实验结论 25

参考文献 26

致 谢 28

第一章 绪论

1.1 引言

钛，是不可缺少的结构材料之一，于 20 世纪 50 年代发展起来。由于它具有耐高温、密度小、高强度、无磁、耐腐蚀等优异的性能，并且拥有超导、无毒、形状记忆、高阻尼、储氢等与众不同的功能，广泛应用于军事、航空航天、冶金、化学、能源、电力、轻工、医学行业和民用领域等。它创造出了不可估量的经济效益、社会效益，在建设国防和发展经济中占据重大的地位与作用。钛及钛合金性能优异、优点众多，行业中称其为“全能金属”、“现代金属”，从资源的寿命、社会的价值以及行业的前景来看，Ti 被视为金属材料中的“战略金属”，在 Fe、Al 之后的第三种金属 ^[1]。我国与俄罗斯、日本、美国等国皆十分注重钛合金的研究应用，每个国家根据自身所要的需求进行了各自的研发，目前已经得到了较广范围的应用^[2-4]。Ti 在地壳中所占自然元素的比例为 0.56%，排名在前十，按结构金属的排序位于第四位,仅次于铝、铁、镁，含量与常见金属铅、锌、铜的总量相比来的大。中国的 Ti 资源非常的丰富，储量居于世界第一。因为原生的 Ti 的生产能量消耗较高,并且有污染物的排放，如 Cl^-1 等，因此 Ti 的生产发展已从发达国家转向发展中国家 ^[5-6]。

1.2 钛合金概述

1.2.1 Ti-6Al-4V 钛合金简介

TC4（Ti-6Al-4V）,为等轴马氏体型两相合金，美国在 1954 年率先将其研制出来，由于其综合性能优越，如今已经发展成为全球通用的金属材料，被看作钛合金中的王牌合金^[2]。依据其精炼的程度，可将 TC4 可分为 TC4（ELI） 和普通 TC4。 钛合金总产量的 50% 被 TC4 钛合金占据，TC4 钛合金甚至约占据了所有合金加工件的 95%。从 TC4 钛合金出现以来，对它的研究就不曾间断。这些年由于设计理念的改变,以及对崭新的领域的研究，因此对 TC4 的研究又卷起了新的热潮。当前，已经对 TC4 钛合金的截面面积、微观组织、热加工工艺、载荷的方向、应力之比、电化学环境及表面的状态对合金疲劳性能的影响原理和影响规律展开了大量的研究，TC4 钛合金再次成为新的金属应用材料^[6]。

1.2.2 Ti-6Al-4V 钛合金的应用

对人体而言，钛元素是无毒的，而且密度小、强度高，拥有优异的生物相容性能，是作为生物医学的理想金属材料^[7]。最先用作生物材料的钛合金 TC4 已经被实际应用了很多年。由于 TC4 钛合金拥有优秀的室温性能以及抗拉强度，所以其还应用于制造飞机的起落架、叶片和机匣，以及航空发动机的机油储蓄罐、航天发动机的风扇等关键的受力装配件。其中，TC4-DT 是损伤容限型的材料，可用于航空、航天结构件的研发^[8-9]。此钛合金具有优秀的焊接性能和加工性能，物理、机械性能与 TC4（ELI）相同，区别的关键点就在热加工工艺、锻造工艺以及材料配比的调控。TC4（ELI）是海洋舰船用金属材料主要采用的材料之一，此合金已经成功的应用在了美国的舰船上。将钛合金应用在舰船中，可以大幅度地延长舰船仪器设备的使用寿命，使舰船的重量减轻，令设备的使用减少，整体上使舰船的技术性能、战术性能提升了。中国研究造出的 TC4-DT 合金已经成功的应用在我国的航空飞机上，也应取得在海洋工程上的应用^[10-11]。

随着科学技术的发展与进步，钛及钛合金的生产成本将逐渐降低，不仅在海洋船舶、航空航天工业、生物医学领域，在民用领域中钛合金的应用范围也变得越来越广泛。钛合金材料最具有开发潜力的市场之一是汽车的轻量化^[12]，用它制造连杆使用在发动机中可以减轻其重量，进而可以起到降低燃料用量、减小噪音、降低废气排放，提升燃料利用率的效果。目前，TC4 已广泛地应用于制作各种车型的发动机气门座圈和底盘部件^[1]。利用 TC4 还可以用来制造钛制自行车、高尔夫球头、羽毛球拍、轮椅车架等。

1.3 合金成分的添加对 Ti-6Al-4V 合金组织与性能的影响

从退火组织上来看，可以将钛合金分成三种，即 α、β 以及 α β 两相合金，其中，α 相合金以 TA 结合阿拉伯数字来表示，β 相合金以 TB 结合阿拉伯字母表示，α β 两相合金以 TC 结合阿拉伯数字来表示。微观组织、合金的成分、相成分及排布等微观特征可以决定钛合金的性能^[13]。实践证明^[14-15]，在基本不影响合金强度的条件之下，减小钛合金里间隙元素的配比，合金的伸长率和韧性以及合金的机械性能可以大大地提高。TC4 钛合金属于 α β 两相钛合金，此合金内不仅有 α 型合金元素的融入，还有 β 型合金元素的融入，α 相和 β 相可以同时被强化。如果要优化钛合金的热加工强化性能和成型性，就必须得到一定数目的 β 相。所以，β 型合金稳定元素是决定 α β 两相合金的性能的关键元素。

1.3.1 钛合金 α 稳定元素的添加

钛合金 α 稳定元素，是可以在 α 相内进行溶解，并使 α 相区增大的合金元素。α 型合金元素在钛合金中可以提高转变温度、稳定 α 相，具有这种作用的合金元素主要有 Pn、Ga、B 等。α β 合金的 α 相稳定元素主要是 Al。而 Al 可以说是这类合金必不可少的一类元素，以置换的形式存在于α 相中，钛合金中加入 Al 能改善铁合金的抗氧化性能，Al 比 Ti 轻，可以减小合金的密度、显著提高再结晶温度、増加固溶体中原子间结合力，进而使合金的强度、抗蠕变性提高。但 Al 所加入的比例应稳定在 6%~7% 以内^[16]，即可避免发生有序反应，生成次生相，而破坏材料的耐蚀性、韧性和塑性。如果要进一步强化 α 相的话，可以加入少量的中性元素，如金属锡和铬。

1.3.2 钛合金 β 稳定元素的添加

在合金 β 相区内溶解和并使 β 相区增大的元素叫做 β 稳定元素，是热加工强化钛合金的必要元素，如 Mo、V 等，可以令相变点大大降低，但 β 稳定元素的选择较复杂。Mo 可以显著地提高钛合金的蠕变抗力，提高合金的抗腐蚀性能，特别是在含有 Cl^-1 的液体中抗缝隙腐蚀的能力，但 Mo 密度比较大。V 元素的加入，使 Ti-Al 合金的成型性能得到改善、合金的强度得到提高，还可以使其在合金热处理和强化的过程维持良好的塑性。此外，Ti-Al-V 系合金的组织在较宽的温度范围内都是比较稳定的，不会出现硬质和脆性化合物的沉淀问题，所以它的应用最为广泛，尤其是 TC4 钛合金。

1.3.2.1 Fe 元素的添加

尽管非活性的共析型 β 稳定元素 Fe 有较高的稳定 β 相的能力。加入铁元素后，它会集中在钛合金的 β 相内，由于铁与钛的杨氏模量的不同将导致内部的晶格畸变能升高，因此增大了外力，促进了位错源的运动。同时溶质原子铁可以集中在小面积区域内，会有偏聚产生，进一步生成柯垂尔气体，严重地抑制了位错的滑移能力，以此来起到固溶强化的作用。但加入铁元素的合金持续在共析温度以下（400℃~600℃）加热，生成的共析化合物可以沿晶界发生沉淀，导致合金的韧度变差，还可能使强度下降。这种类型的组织相对不稳定，加热时容易被其他气体的氧化或污染，从而降低合金的性能，钛在合金化的过程中应当避免这个问题^[17]。并且，虽然合金元素铁属于共析型 β 稳定元素，可以起固溶强化的作用，但是隨着合金元素 Fe 比例的增大，Ti-6Al-4V 等轴组织试样的均匀流动塑性应变将会减小^[18-20]。

1.4 热变形行为对 Ti-6Al-4V 钛合金的影响

微观组织的演化规律和本构关系是材料主要的成形性能。热压缩变形的过程中将发生温度的升高，应力的变化。温度过高时将会导致锻造热效应，即中心区域温度急剧升高从而出现魏氏组织，在大应变量、高应变速率下组织中会出现裂痕之类的缺陷 ^[21]。

1.4.1 显微组织的影响

实验表明^[22-24]，从 TC4 的金相组织来看，在魏氏组织中，起始的 β 相晶粒显得非常的大，而 α 为细针状（如图1-1（a）），可以计算得到 α β 等轴状组织中 α 的晶粒的大小在 4~6μm 左右（如图1-1（b））。

相关图片展示：