原位研究快扩散β稳定元素(Fe、Cr)对钛合金短时高温性能及变形行为的影响

With increasing the flight speed of short-term high speed aircraft, it puts forward high requirements on room temperature plasticity, high temperature strength and endurance performance under large stress of short-term high temperature titanium alloy. When designing the composition of short-term high temperature titanium alloy, it should be focused on adjusting the contents of beta stabilizer elements. However, there is no report about the effects of fast diffusion beta stabilizer elements on microstructure, high temperature mechanical properties and deformation behaviors of short-term high temperature titanium alloy. Therefore, novel Ti-6.5Al-2Sn-4Zr-1Mo-x(Fe、Cr)-0.2Si short-term high temperature titanium alloys with different contents of fast diffusion beta stabilizer elements (Fe/Cr) have been designed and prepared, based on previous work. The effects of Fe/Cr on the ratio/size/morphology of alpha and beta phase, the second phase precipitation, the mechanical properties of the alloys would be studied. The high temperature deformation and fracture behaviors of the alloys would be investigated by in situ tensile SEM. Combining the observations and mechanical properties, the relationship between high temperature performance and microstructure would be built. The reasons which affect the change of mechanical properties during short-term high temperature deformation would be found out. The high temperature strengthening mechanism of titanium alloy under the action of fast diffusion beta stabilizer elements would be revealed. This project would provide theoretical basis and data support for the development of high temperature titanium alloy used in high-performance aerospace vehicles.

随着短时高速飞行器飞行速度的不断提高，对短时高温钛合金的工艺塑性和短时高温性能提出了更高要求。添加β稳定元素是短时高温钛合金的重要发展方向，但目前关于快扩散β稳定元素对合金组织、性能和变形行为的影响及其含量控制的研究尚无报道。本项目在前期工作的基础上，添加不同含量的快扩散β稳定元素Fe、Cr，设计了Ti-6.5Al-2Sn-4Zr-1Mo-x(Fe、Cr)-0.2Si系合金。以该合金系为研究对象，进行了显微组织观察和力学性能的测试，系统研究Fe、Cr对合金中α/β相比例/尺寸/形貌、第二相析出行为、工艺塑性、高温强度的影响规律。采用高温原位观察方法系统研究所设计合金的高温变形与断裂行为，将观察结果与宏观力学性能相结合，建立合金高温性能与显微组织变化之间的对应关系，找出影响合金在高温变形过程中力学性能变化的原因，揭示快扩散β稳定元素作用下，合金的高温强化机制，为发展高性能钛合金提供理论依据。

随着短时高速飞行器飞行速度的不断提高，对短时高温钛合金的工艺塑性和短时高温性能提出了更高要求。添加β稳定元素是短时高温钛合金的重要发展方向，关于快扩散β稳定元素对合金组织、性能和变形行为的影响及其含量控制的研究鲜有报道。本项目在前期工作的基础上，添加不同含量的快扩散β稳定元素，设计了Ti-6.5Al-2Sn-4Zr-1Mo-x（Fe/Cr）-0.2Si系合金，以其为研究对象，系统研究快扩散β稳定元对合金中α/β相比例/尺寸/形貌、第二相析出行为及工艺塑性、高温强度的影响规律。采用高温原位观察的方法系统研究所设计合金的高温变形与断裂行为，将观察结果与宏观力学性能相结合，建立合金高温性能与显微组织变化之间的对应关系，找出影响合金在高温变形过程中力学性能变化的原因，揭示快扩散β稳定元素作用下，合金的高温强化机制，为发展新型航天器用高性能钛合金提供理论依据和数据支持。主要结论如下：.合金经(Tβ-20)℃/2h/AC退火处理后，为双态组织，随着β稳定元素含量的增加，微观组织没有明显变化，但残余β相含量有所增多，室温塑性提高。高温下，合金的强度下降，塑性升高，随拉伸温度升高，Fe对合金强度的降低作用越来越明显。室温拉伸时，Fe的加入降低了位错的缠结程度，减弱了加工硬化效果。在650℃拉伸过程中，合金发生了动态回复和再结晶，析出了α2相，随着快扩散β稳定元素含量增加，α2相尺寸增大，析出强化效果减弱。原位拉伸结果表明：随快扩散β稳定元素含量增加，650℃时断裂模式由沿晶和穿晶混合断裂转变为沿晶断裂。.单级退火处理时，退火温度和冷却速度影响合金的组织和性能。合金在相变点以下温度单级退火获得双态组织，且随着退火温度的升高，αp相体积分数下降，αs片层厚度和集束宽度增加，合金的室温拉伸变形协调性好，延伸率和断面收缩率分别超过20%和50%。随退火温度继续升高，β晶粒长大，αs厚度和集束宽度明显增大，αp相体积分数快速下降，当退火温度高于相变点时，αp相完全消失，合金室温和高温强度升高，塑性显著下降。随着冷速度的提高，αs含量减少尺寸减小，空冷获得的片层状αs可以使合金具有最优的性能匹配。