鈦合金中Mo元素的強(qiáng)化機(jī)理及組織演變.pdf

1、鈦及鈦合金由于具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、生物相容性好等特性而被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，是重要的工程結(jié)構(gòu)材料之一。Mo元素是鈦合金成分設(shè)計(jì)以及成分調(diào)整的主要合金元素之一，是高溫鈦合金、高強(qiáng)韌鈦合金以及耐蝕鈦合金中最重要的合金元素之一。但目前對(duì)鈦合金中Mo元素的強(qiáng)化效應(yīng)和塑性優(yōu)化行為缺乏系統(tǒng)深入的研究。為此，本文通過簡(jiǎn)化成分的鈦合金，系統(tǒng)和深入地研究Mo元素對(duì)鈦合金相結(jié)構(gòu)組成、組織演變、β原始晶粒長(zhǎng)大規(guī)律、強(qiáng)化機(jī)制以及塑

2、性變形行為的影響機(jī)制，并選取高M(jìn)o當(dāng)量鈦合金Ti-1300進(jìn)行組織和強(qiáng)化效應(yīng)的驗(yàn)證性試驗(yàn)，在對(duì)Mo元素合金化一些基本問題深入研究的基礎(chǔ)上，為新型高性能鈦合金的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供理論參考。
　　從熱力學(xué)上分析驗(yàn)證了Mo元素屬于Ti的β同晶型穩(wěn)定化元素。加工態(tài)Ti-1Mo，Ti-2Mo和Ti-4Mo合金組織由片層β相和α基體組成，Mo元素主要分布于片層β相中，隨Mo元素含量的增加，片層β相逐漸在α基體長(zhǎng)大，并按一定的晶體取向排列。Ti-1

3、5Mo和Ti-20Mo合金的組織由等軸β晶粒組成，晶粒尺寸位于50～80μm之間。Mo元素的增加使Mo原子與位錯(cuò)之間的交互作用增強(qiáng)，從而提高了合金的顯微硬度。
　　Ti-xMo系合金晶粒長(zhǎng)大行為的研究結(jié)果表明:固溶態(tài)Ti-1Mo和Ti-2Mo合金由等軸的α相組成，Ti-4Mo合金主要由針狀六方馬氏體α'相和原始β晶界組成;當(dāng)合金Mo含量超過10％時(shí)，合金由等軸的β相組成。原始β晶粒尺寸與固溶時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系，在固溶時(shí)間一定的條件下，

4、原始β晶粒隨固溶溫度的升高而明顯長(zhǎng)大，Ti-4Mo合金晶粒長(zhǎng)大激活能(83.50k J/mol)由于Ti-4Mo合金較弱的溶質(zhì)原子牽引效應(yīng)而明顯的低于Ti-20Mo合金（272.16k J/mol），而Ti-4Mo合金生長(zhǎng)指數(shù)(0.42)則由于組織中較低的位錯(cuò)密度而遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Ti-20Mo合金生長(zhǎng)指數(shù)(0.26)。Ti-xMo合金的強(qiáng)度隨Mo元素含量的增加以及合金晶粒尺寸的細(xì)化而獲得改善，晶粒尺寸對(duì)合金的強(qiáng)化作用符合Hall-Petch關(guān)

5、系式;Mo對(duì)鈦合金的強(qiáng)化機(jī)制主要為固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和相變強(qiáng)化。
　　Mo元素對(duì)Ti-6Al-xMo系合金組織和性能的研究結(jié)果表明:Ti-6Al和Ti-6Al-1Mo合金的相結(jié)構(gòu)由α2相和α相組成，但密排六方結(jié)構(gòu)的α相由Ti-6Al中的羽狀轉(zhuǎn)變?yōu)門i-6Al-1Mo合金中的粗板條狀，Ti-6Al-3Mo和Ti-6Al-5Mo合金的組織主要由拉長(zhǎng)的等軸α相和保留的β相組成，但由于Mo元素的細(xì)化效應(yīng)使Ti-6Al-5Mo合金中α相的晶

6、粒尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Ti-6Al-5Mo合金。Mo元素的增加使α相的晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)也發(fā)生變化（a增加，c減?。琓i-6Al-5Mo和Ti-6Al-3Mo展現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性兼容性。
　　Ti-xMo和Ti-6Al-xMo系列合金塑性變形行為的研究表明:變形后Ti-4Mo、Ti-6Al-3Mo和Ti-6Al-5Mo合金的組織由等軸的原始β晶粒和α相組成，但β晶粒內(nèi)部的α相由變形前的板條狀變?yōu)樽冃魏蟮尼槧?。變形后Ti-20Mo合金的晶粒由

7、于應(yīng)變集中而逐漸被拉長(zhǎng)成纖維狀，在晶粒的內(nèi)部形成形變亞晶，合金的變形方式以滑移為主;Ti-20Mo的抗拉強(qiáng)度和延伸率分別達(dá)到1011.30MPa和20.5％，Ti-6Al-5Mo合金由于加工硬化效應(yīng)而具有最高的抗拉強(qiáng)度(1164.10MPa)，但塑性較差。Ti-4Mo、Ti-6Al-3Mo和Ti-6Al-5Mo合金的拉伸斷口呈現(xiàn)出由撕裂脊包圍著解理面的脆性斷裂，為沿晶斷裂模型，而Ti-20Mo合金斷口的撕裂脊之間分布著大量較深的韌窩，呈

8、現(xiàn)穿晶斷裂的模式。
　　Ti-1300合金形變熱處理及熱強(qiáng)化試驗(yàn)結(jié)果表明:經(jīng)兩相區(qū)高溫形變后主要由等軸的β相和球狀α相組成，變形量越大，合金的晶粒破碎越充分，經(jīng)淬火時(shí)效或固溶時(shí)效處理后，αp相以板條狀形式存在，而αs相以細(xì)針狀分布在β基體上;經(jīng)淬火時(shí)效或固溶時(shí)效處理后Ti-1300合金的力學(xué)性能與高溫形變態(tài)相比均獲得顯著的提高，這與小尺寸的αp相以及彌散析出αs相有關(guān)，Ti-1300合金形變熱處理的強(qiáng)化效果主要是αs的析出強(qiáng)化;固

9、溶態(tài)Ti-1300合金具有20％以上的延伸率和60％以上的斷面收縮率使其具有優(yōu)異的深度加工性能;兩相區(qū)時(shí)效態(tài)Ti-1300合金具有高于1350MPa的強(qiáng)度性能，而延伸率也保持在12％以上，其組織主要由條狀αp相、針狀αs相以及β基體組成，αp相厚度隨時(shí)效溫度的升高而長(zhǎng)大，針狀αs相則彌散分布在β基體上;β單相區(qū)時(shí)效態(tài)Ti-1300合金的組織由針狀αs相和β基體組成，合金的強(qiáng)度可達(dá)1640MPa，但塑性卻急劇下降，這與αs相大量析出和不均