Ti-6Al-4V钛合金多向等温锻造异构组织形成机理研究

Ultrafine-grained Ti-6Al-4V alloy possesses superior strength but low ductility, which severely limits its practical use. Thus, this project aims to achieve superior strength and good ductility in a Ti-6Al-4V alloy by introducing a novel microstructure consisting micrograined lamella embedded in an ultrafine-grained sphere matrix using multidirectional isothermal forging and multistage heat treatment. The martensitic phase transformation of α´→(α+β) under hot compression is used to achieve the ultrafine grains, and the phase transformation mechanisms will be studied. The microstructure evolution and phase transformation during multidirectional isothermal forging will be studied, and the dynamic recovery and dynamic recrystallization of deformed microstructure during the heat treatment will be investigated. The formation mechanism of heterostructured microstructure of micrograined lamella embedded in ultrafine-grained sphere matrix is to be clarified. The contributions of back stress strengthening and strain hardening to ductility improvement are to be understood. The mechanism of enhancement of ductility is to be revealed. This project has important implications for the promotion of titanium alloy in China’s aerospace industry.

针对超细晶Ti-6Al-4V钛合金塑性差，影响其服役性能的问题，本项目拟采用多向等温锻造技术，结合多级热处理工艺，利用钛合金中马氏体相变α´→(α+β)的细晶效应，在Ti-6Al-4V钛合金中获得超细晶等轴组织与片层粗晶组织共存的异构组织，从而制备出同时具有超细晶高强度和粗晶大塑性的大尺寸高强塑性Ti-6Al-4V钛合金。研究Ti-6Al-4V钛合金中α´马氏体相在热-力耦合作用下的相变细晶行为，探究Ti-6Al-4V钛合金在多向等温锻造过程中的非均匀组织形成机制以及热处理过程中变形组织的回复再结晶行为，明晰Ti-6Al-4V钛合金中超细晶等轴组织与片层粗晶组织共存的异构组织形成机理，探讨背应力强化及应变强化对材料塑性提升的作用机理，揭示异构组织材料的塑性提升机制，该项目的研究对于促进钛合金在我国航空航天工业中的应用具有重要意义。

如何同时提高金属材料的强度和塑韧性，一直是结构材料领域的重大科学问题。实现钛合金的超高强塑性，能够极大地提高钛合金的服役安全性和服役寿命，对于促进我国航空航天工业的发展具有重要意义。针对超细晶Ti-6Al-4V钛合金塑性差，影响其服役性能的问题，本项目首先采用Gleeble热压缩模拟技术，研究马氏体组织的高温变形行为，探索马氏体组织Ti-6Al-4V钛合金高温变形窗口及组织演变规律。在此基础上，对钛合金进行多向等温锻造，通过4道次多向锻造，对不同位向的片层组织进行精确调控，获得片层粗晶与等轴超细晶共存的非均匀组织。采用650℃/2小时低温短时时效热处理，使得锻后变形组织发生回复再结晶，形成异构组织。制备了抗拉强度为1170MPa，伸长率为12.9%的高强塑性Ti-6Al-4V钛合金。采用循环加卸载拉伸试验，研究了异构组织钛合金的强塑性机制。研究主要发现：.(1) Ti-6Al-4V 钛合金α´马氏体组织高温变形行为：在较低温度及较快应变速率变形有利于形成等轴超细晶与片层粗晶间隔分布的异构组织。.(2) Ti-6Al-4V钛合金α´马氏体组织多向等温锻造组织演变机理：通过载荷轴向的旋转变化，晶粒取向转变为“软取向”的片层团簇全部被球化为等轴组织，而晶粒取向一直为“硬取向”的片层则保留下来。.(3) Ti-6Al-4V钛合金锻后热处理回复再结晶行为：等轴组织发生非连续动态再结晶，片层晶粒发生长大，形成了超细晶等轴组织与片层粗晶组织共存的异构组织。.(4) 异构组织Ti-6Al-4V钛合金强塑性机制：强塑性机制主要来源于背应力强化和位错强化。