Ti-Cu合金半固态下近固相区压缩变形时的力学特征和变性机制研究

Semi-solid thermal simulation plays and important role on the research of semi-solid plastica deformation for matel, which is considered to be significant for revealing the semi-solid deformation mechanism and achieving semi-solid process technique for titanium alloy. The objective of the present work was therefore to comprehensively study the semi-solid mechanical behavior and the flowing regularity of liquid as well as deformation mechanism for typical Ti-Cu alloys.In this work, quenching experiments and quantitative metallographic analysis have been taken to ensure the accuracy of fraction liquid value and distribution of liquid, thermal simulation has been carried out to investigate the relationship between the deformation parameters and distribution of liquid as well as flowing stress. Though the studies in this project, it can be clearly that the mechanical behaviour and deformation mechanism caused by liuqid flowing, and discuss the semi-solid forgeability, which maybe consummate the semi-solid processing base theory for Ti-Cu alloy.

半固态热模拟是研究金属材料半固态下近固相区变形行为的重要方式，对明确含有少量液相的金属材料的变形机制和最终实现半固态加工具有重要的意义。本项目针对几种典型的Ti-Cu合金在半固态下近固相区压缩变形时的力学特征、液相流动规律及其变形机制展开基础研究工作，具有重要的学术意义。首先采用热处理淬火和定量金相测定Ti-Cu合金半固态液相含量，在通过半固态热模拟压缩研究了合金在近固相区的变形特性，建立温度/液相含量和流变应力之间的规律性关系，确定流变应力显著下降的温度区间，并针对此区间讨论半固态变形机制。通过本项目的研究，可以获得Ti-Cu合金在半固态压缩变形中的液相流动规律及引发的微观力学特性，明确液相对变形的协调作用，揭示半固态变形机制。在此基础上设计半固态锻造参数，研究该合金半固态条件下锻造特性，探索本方法的科学性和实践性。研究成果可以为Ti-Cu合金半固态加工工艺的设计提供理论基础。

自上世纪70年代初半固态成形技术提出以来，半固态成型技术得到了迅速的发展，被誉为21世纪新一代金属成型技术。当前铝合金和镁合金半固态成形技术已经基本成熟，而具有广泛用途和战略意义的钛合金的半固态加工技术的研究却鲜有报道，开展该项技术研究，有望为高性能钛合金提供创新性成形技术，使我国在这一领域处于领先行列。.本课题以钛铜合金为对象，采用热模拟压缩对Ti-Cu合金半固态流动特性、应力应变关系及变形机制进行了系统的研究，提出合理的半固态加工参数；根据半固态加工参数，首次实现了半固态锻造，探明了半固态锻造温度、变形量与微观组织和力学性能间的规律性关系；深入研究了半固态锻造变形机制和组织形成机理，建立了适合Ti-Cu合金半固态锻造变形的组织演变模型，阐明了力学性能的变化规律，为钛合金半固态制备技术的突破提供可行性的理论基础。.本课题系统地阐述了Ti-Cu合金半固态热模拟压缩规律，提出适合半固态锻造的参数，进行了半固态锻造，并与常规锻造进行对比研究。主要研究结果表明：合金在半固态热模拟压缩过程中表现出较低的变形抗力，并在1050-1100℃内出现了应力松弛现象。根据热模拟结果，试验在950-1100℃、变形量为45%-75%的锻造结果显示，合金在1000℃-1050℃表现出较好的可锻性。与常规锻造相比，由于液相的协调变形机制的作用，有效地降低了合金的变形抗力。.通过对合金半固态锻造后的晶粒形态、晶界行为以及拉伸性能和热稳定性能的分析研究发现，半固态锻造过程中液相在晶界发生偏聚，并在冷却过程中发生包晶和共析反应，使Ti2Cu相产生晶界偏析。液相的偏聚和Ti2Cu相的偏析都与变形温度有很大的相关性。随着温度的增加，Ti2Cu相在晶界析出量明显增加。Ti2Cu相的偏析分为形核、生长和粗化三个阶段。同时，随着温度的增加，液相协调变形机制明显，使动态再结晶弱化，晶粒首次出现熔断生长机制，试验根据该现象提出了晶粒熔断生长模型。合金锻造后力学性能测试研究结果表明，半固态锻造后合金的室温拉伸强度明显提高，但塑性显著下降。随着半固态锻造温度的升高，合金的强度下降，塑性上升。常规锻造合金在拉伸过程中表现出典型的穿晶断裂模式，断口以细小韧窝为主；半固态锻造后合金在拉伸过程中表现出穿晶和沿晶的混合断裂模式，断口由粗大的韧窝和解理条纹组成。采用修订的Orowan方程验证了半固态锻造中Ti2Cu析出相强化