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高温钛合金由于具有密度低,比强度高,高温性能好等优点而广泛应用于航空航天领域。Ti-60A合金属于Ti-Al-Zr-Mo-Si-Sn系近α型高温钛合金,使用温度已经达到600℃。影响高温钛合金性能的因素很多,Ti-60A合金中的硅化物和β晶粒尺寸控制是目前研究尚不充分的两个方面。因此,本文研究了Ti-60A合金中硅化物的析出、溶解温度,硅化物析出的位置、形貌和尺寸,并研究了不同条件下硅化物析出对Ti-60A合金高温蠕变和持久性能的影响:最后研究了热处理和热加工工艺对Ti-60A合金原始β晶粒尺寸及分布的影响。
实验结果表明,Ti-60A合金中硅化物的析出温度为990℃,完全溶解温度为1030℃,850℃左右硅化物析出量最多,尺寸从几十到几百纳米不等,600℃以下硅化物析出量较少,尺寸通常小于100纳米。硅化物析出的形状多样,900℃以上以纺锤状为主,且硅化物与基体界面不明显,900℃~800℃以多面体形状为主,750℃以下多为短棒状。硅化物的析出,与基体有一定的取向关系,在本文实验中观察的硅化物与α相基体的取向关系为:硅化物[0001]晶带轴平行于基体[1231]晶带轴,硅化物(1210)面平行于基体(0112)面。
在外加应力水平较低的蠕变实验条件下,材料变形以界面为主,硅化物在α片层之间析出,对α片层界面起到有效的钉扎作用,提高材料蠕变抗力。在外加应力水平较高的持久实验条件下,Ti-60A钛合金中硅化物的大量析出降低了材料的持久性能。在此条件下,选择硅化物少量析出但α2析出明显的热处理工艺对提高持久性能有利。在高温大应力持久实验条件下,位错在大颗粒硅化物处产生塞积,导致硅化物开裂或与基体脱粘产生微孔,微孔聚集后发生过早断裂是导致持久性能降低的主要原因。
α2相的析出对提高Ti-60A钛合金的蠕变抗力和持久断裂时间都是有利的,但硅化物的析出只对提高蠕变性能有利,对持久性能的作用取决于硅化物的析出量及颗粒尺寸。Ti-60合金的蠕变性能和持久性能不一定同时达到最佳。
Ti-60A合金棒材中的原始β晶粒尺寸呈正态分布。原始坯料显微组织比较粗大时,较大的锻造变形量会改善Ti-60A合金棒材原始β晶粒尺寸均匀性;当锻造变形量达到33%时,Ti-60A合金棒材原始β晶粒尺寸变小,均匀性得到进一步改善;Ti-60A合金在α+β相区轧制,变形量达到40%以上时,坯料的原始显微组织对原始β晶粒尺寸均匀性及颗粒平均尺寸的影响不大;轧制加热温度在α+β相区时,轧制温度升高会使原始β晶粒尺寸分布曲线向尺寸较大的方向移动。