TC11-Ti-Al-Nb接合界面組織演化規(guī)律及穩(wěn)定機理研究.pdf

1、為了解決常規(guī)單一合金制造的高性能發(fā)動機高壓壓氣機盤難以滿足大溫度梯度和應力梯度的工作環(huán)境問題，采用高溫性能優(yōu)異的金屬間化合物與中低溫性能優(yōu)異的鈦合金焊接制成雙合金盤來替代高溫合金壓氣機盤，能夠有效減輕發(fā)動機的重量，提高推重比。而異種鈦合金連接件和基體合金在化學成分及使用溫度下的性能都有區(qū)別，探索其變形工藝提高接頭組織性能穩(wěn)定性顯得至關重要；由于高壓壓氣機盤的服役環(huán)境惡劣，長時間與高溫高壓氣體接觸，雙合金盤件的接合界面組織變化對性能的影響

2、是一個亟需解決的難題?；诖吮疚囊訲C11/Ti-Al-Nb雙合金熱模擬壓縮實驗為基礎，優(yōu)化變形參數(shù)；同時結(jié)合等溫鍛造實驗和熱穩(wěn)定實驗，分析了熱力作用對連接界面組織的影響規(guī)律，確定了不同顯微組織對力學性能的影響規(guī)律及拉伸斷裂機理；建立了析出相的組織參數(shù)與拉伸性能之間的定量關系。主要的研究內(nèi)容及成果如下：
　　TC11/Ti-22Al-25Nb雙合金高溫變形時的流動應力對變形溫度和應變速率敏感。隨著變形溫度的升高和應變速率的減小，流

3、動應力降低；在高溫大應變速率下，應力-應變曲線出現(xiàn)不連續(xù)屈服的特征；基于Arrhenius型雙曲正弦方程建立的雙合金高溫變形本構(gòu)方程能很好的描述雙合金的流變行為。
　　基于動態(tài)材料模型及Prasad失穩(wěn)準則構(gòu)建了TC11/Ti-22Al-25Nb雙合金的熱加工圖。優(yōu)化了雙合金的熱加工參數(shù)，獲得了雙合金熱加工過程中的安全區(qū)域：900-1060℃，0.001-0.6s-1；而當應變速率大于0.6s-1，會出現(xiàn)絕熱剪切、焊縫和基體結(jié)合處

4、開裂以及局部塑性流動的失穩(wěn)變形機制；隨著變形程度的增加，變形塑性失穩(wěn)區(qū)域由低溫高應變速率、高溫高應變速率向低應變速率和中間變形溫度區(qū)域擴展。
　　研究了合金成分對 TC11/Ti-Al-Nb雙合金連接件界面組織及性能的影響規(guī)律，隨著Nb元素含量的增加，熱處理后焊縫熔合區(qū)析出的α2相含量減少；性能對比可以發(fā)現(xiàn)，TC11/Ti-22Al-27Nb連接件的拉伸性能較好。焊縫區(qū)域組織的演變引起了顯微硬度的變化，TC11合金側(cè)熱影響區(qū)馬氏體

5、α'的分解會造成顯微硬度的降低，而焊縫熔合區(qū)域以及Ti-22Al-27Nb合金側(cè)熱影響區(qū)二次相的析出會造成顯微硬度的增加。焊縫區(qū)域彈性模量的分布呈現(xiàn)出“U”型，焊縫熔合區(qū)域的數(shù)值較低，等溫鍛造及熱處理都能夠提高焊縫區(qū)域的彈性模量。
　　TC11/Ti-22Al-25Nb雙合金接頭的組織和性能受熱加工歷史的影響。焊態(tài)下，焊縫熔合區(qū)由β相組成；940℃變形及熱處理后晶界由斷續(xù)的α/α2相組成，晶粒內(nèi)部分布著等軸α2相以及細小的O相；而

6、變形溫度升高至980℃和1020℃，等軸α2相消失，β基體中只剩下細小的O相；通過室溫拉伸性能可以發(fā)現(xiàn)，等溫鍛造變形使得焊縫熔合區(qū)的抗拉強度得到提高；隨著變形程度的增加，焊縫熔合區(qū)組織中析出的O相厚度增加，導致了連接件的拉伸強度降低；而應變速率升高，組織中析出的O相片層增多，彌散強化作用增強，拉伸強度升高；300℃和500℃高溫拉伸過程中，連接件斷裂位置轉(zhuǎn)移至TC11合金母材側(cè)。
　　獲得了 TC11/Ti-22Al-25Nb雙合

7、金連接件在熱暴露條件下的組織穩(wěn)定條件。500℃熱暴露時TC11合金基體組織中的細片狀α相較穩(wěn)定，熱暴露溫度升至600℃和700℃，細片狀α相厚度隨著熱暴露時間的增加逐漸變厚，同時組織中還析出了脆性α2相和硅化物；Ti-22Al-25Nb合金在700℃以下熱暴露時組織較穩(wěn)定，當熱暴露溫度達到700℃時，組織中的B2相發(fā)生分解，生成O相和無序結(jié)構(gòu)的β相；隨著暴露溫度升高和暴露時間的延長，焊縫組織中O相片層厚度逐漸增加，在700℃熱暴露下，O

8、相片層厚度增加迅速。隨著熱暴露時間增加，室溫拉伸強度及塑性都呈下降的趨勢；500℃熱暴露下，拉伸斷裂在接頭處，600℃和700℃熱暴露下，斷裂位置轉(zhuǎn)移至 TC11合金側(cè)。界面兩側(cè)元素的濃度差隨熱暴露溫度的升高而逐漸變緩。
　　雙合金接頭區(qū)域組織形態(tài)的改變是造成接頭力學性能變化的內(nèi)在原因。等溫鍛造+熱處理使得雙合金連接接頭性能強化的主要機制是析出的二次相的強化作用，但由于第二相大小及分布的不均勻性，造成了塑性的降低；細片狀α相及粗大

9、的晶界α2相都會造成接頭拉伸塑性的降低；熱暴露過程中，片狀α相和O相發(fā)生粗化，都造成了拉伸塑性的降低；隨著熱暴露溫度的升高，α2相沿晶界析出并發(fā)生長大，增加了晶界的脆性，同時O相粗化嚴重，二者共同的作用使得焊縫的沖擊韌性降低。
　　計算O相和α相在熱穩(wěn)定時的生長動力學參數(shù)可知，O相和α相的生長指數(shù)隨著溫度的提高而增加；而隨著保溫時間的延長，O相和α相的長大激活能變化較小。構(gòu)造了O相、α相片層厚度和拉伸性能的定量關系式，屈服強度、延