激光成形Ti3Al/TC11连接界面的强韧化工艺及其机理研究

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钛合金具有优异的综合力学性能,在航空、航天、船舶、石油化工等行业获得广泛应用。随着各个工业生产的发展,对新材料新工艺的需求也日益广泛和迫切,单一材料的性能已不能满足要求。由不同种材料组成的异种合金件能够充分发挥每种材料的各自优势且成本较低,因而得到广泛关注。但对异种合金件的连接而言,界面是其最薄弱的环节,因此,连接界面的性能成为双合金制造工艺发展的关键。在多种连接方法中,激光快速成形技术作为20世纪末发展起来的材料制备新技术,它利用高能激光将金属粉末进行烧结,无需模具制造,效率高,组织致密细小,逐渐被使用在航空航天领域。本文采用激光快速成形技术制备Ti3Al/TC11双合金件,并通过等温锻造+热处理对其连接界面组织性能进行改善,获得等温锻造+热处理制造Ti3Al/TC11双合金件的较佳工艺参数及连接界面的强韧化机理。本文主要研究内容和结果如下:(1)采用不同的应变速率和变形量对双合金件在960℃进行近等温锻造+热处理,分别与仅经激光快速成形技术制备的Ti3Al/TC11双合金件组织性能进行对比,表明该工艺对其组织有明显改善,破碎激光快速成形时连接界面粗大的柱状组织,获得趋于等轴化且细小、均匀的组织。(2)应变速率和变形量对双合金件的拉伸性能有较大影响。随着应变速率的增大,双合金件室温强度有所提高,Rm和Rp0.2分别从961MPa、811MPa提高到969MPa和864MPa;高温强度有所降低,而室温和高温塑性都变化不明显。变形量对双合金件室温强度和塑性影响不大,但对提高双合金件的高温强度和塑性有显著作用。随着变形量的增加,Rm和Rp0.2分别提高了14.7%和23.0%;而高温塑性则提高得更加显著,z从11%提高到23%,提高了约2倍。A从42.5%提高到58.5%,提高了37.6%。(3)无论应变速率和变形程度的大小,等温锻造后连接界面的显微硬度均比仅经激光快速成形后低,沿着同一条曲线(同一锻造工艺参数)显微硬度值的差异减小,分布趋于均匀。随着变形量的增大,Ti3Al/TC11双合金试样过渡区的显微硬度值明显增大,变形量为50%的试样过渡区显微硬度平均值比30%时高70MPa,增加幅度高达19%。(4)应变速率和变形量对双合金件连接界面的相组成没有影响,只是影响了各物相的形貌、分布、含量及尺寸等。当应变速率较低或变形程度增大时,初生α、α2和β相趋向于等轴化。(5)应变速率和变形量对过渡区合金元素扩散的影响都比较明显。当应变速率较低或变形量较大时,Ti、Al、Nb元素在过渡区两侧扫描线比较平缓,浓度梯度也变得较小。这是由于较低应变速率使得元素在过渡区与基体界面交界处扩散较充分,而当采用大的变形量时,连接界面组织细化,其原因是由于扩散系数增大,同时合金元素向晶内扩散的距离缩短,有利于元素的扩散。
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