（材料加工工程专业论文）ti17钛合金片状组织球化规律研究.pdf

摘要 曰 侣日 日 日 吕 巴 巴里 巴 巴 巴 巴 巴里 巴 摘 要 钦合金具有密度小、比强度高和耐蚀性好等显著优点使其非常适合制作航 空发动机构件，其中 压气 机是钦合金使用最集中的部 件。 随着发动机推重比的 不断提高， 要求压气机的出口 温 度和转速不断提高。因此，发动机压气盘在飞 机服役过程中 将承受更大的 机械 应力和热应力的叠 加作用。若采用传统的单一 组织的盘件， 必然导致某些部位性能富余，某些部位性能不 足， 不能满足高性 能发动机的要求。通过可控应变锻造以获得中心为等轴组织，边缘为网篮组织 的双重组织的双性能压气机盘件能够充分发挥材料的性能潜力，满足高推比发 动机要求。 研究热加工参数对 t i - 1 7 合金片状组织球化规律的影响 和球化机理是采用 可控应变方法制造 t i - 1 7 合金双性能压气盘的关键技术之一。 本文通过热模拟 压缩试验、 等温锻造试验、 热加工图 理论 和 s e m等方法 研究了 经p 锻造后具有 片状组织 t i - 1 7 合金的高温变形行为、 热加工参数对片状a 组织球化的影响以及 球化规律和球化机理。 主要结论如下: 1 . t i - 1 7 合金是一种温度、 应变速率敏感材料， 其流动曲线具有应力峰和 流 变 软化 特 征， 在 相 变 点 ( 8 9 0 0c ) 以 上 温 度， 以 高 应变 速 率 ( 1 o s i) 变 形， 流 变 应 力出现不连续屈服现象。 2 .变形程度是影响片状组织球化的主要因素。t i - 1 7合金在合适的温度和 应变速率下，应变量达到 。 . 8时可得到完全球化的细小组织。片状组织开始球 化和完全球化所需变形量较t i - 6 a i - 4 v低。 3 . 建立了 应用z e n e r - h o l l o m a n 参数表征的双曲 正弦本构模型方程， 通过 对本构方程进行实验验证，得到了令人满意的回归效果。 4 . 根据热加工图理 论首次建立了t i - 1 7 合 金的热加 工图， 得出在8 4 08 7 0 0 c , 应变 速 率。 .5 - 3 s - 之间 为t i- 1 7 合金 片 状 a 组 织 球化 的 理 想 区 域; 在8 7 0 9 1 0 -c , 较高 应 变 速率 ( 5 s - l) 下， 对t i- 1 7 合 金 加 工易 发 生 流 变 不 稳 定 变形 。 5 . 利用小饼等温锻造试样验证了由热加工图优化的加工参数的正确性， 并 选取了三种变形量( 3 0 %, 4 0 %, 8 0 % ) 饼坯进行了 室温拉伸， 4 0 0 高温拉伸、 非应力暴露热稳定性能、持久和蠕变性能测试。结果表明: 对于 t i - 1 7 钦合金， 西北工业大学工学硕士学位论文 通过控制变形量以得到球化率不同的组织结构，从而获得不同力学性能是完全 可行的。 6 深入研究了t i - 1 7 合金片层组织高温变形条件下球化机制， 发现球化机 制同m a r g o lin 和c o h e n 等 人提 出 的晶 界 分离 模型 极 为 类 似， 其 机 理是: ( 1 ) 动 态 再结晶 使片层形成晶 粒串 ; ( 2 ) a 和r 相相互楔入片层内晶 界以 及晶界滑动导致大 片层解体为若干小片层;( 3 ) 小片层进一步球化的 微观过程。 关键词: t i - 1 7 钦合金; 双性能;片状组织: 球化;等温压缩实验;热加工图 摘要 ab s t r a c t t i t a n i u m a l l o y s p o s s e s s l o w d e n s i t y , h i g h s p e c i f i c s t r e n g t h a n d g o o d c o r r o s i o n r e s i s t a n t , w h i c h c a n ma t c h t h e d e m a n d o f m o d e m a v i a t i o n e n g i n e v e ry w e l l , s o t h e c o m p r e s s o r d i s k i s t h e m o s t c o m m o n p a r t s u s e d t i t a n i u m al l o y s . wi t h t h e i n c r e a s e o f t h e t h r u s t - mass r a t i o n o f t h e n e w h i g h p e r f o r ma n c e a v i a t i o n e n g i n e , t h e t e m p e r a t u r e a n d t h e r o t a t e s p e e d o f t h e c o m p r e s s o r d i s k m u s t b e e n h a n c e d . t h e r e f o r e , t h e c o m p r e s s o r d i s k s h o u l d u n d e r g o m u c h s t r o n g e r s t r e s s e s b o t h i n m e c h a n i c a l c o n d i t i o n a n d t h e r m al c o n d i t i o n d u r i n g w o r k i n g . i f u s i n g t h e t r a d i t i o n a l c o m p r e s s o r d i s k w i t h s i n g l e s t ruc t u r e , i t c o u l d n o t ma k e f u l l u s e o f t h e p r o p e r t y o f t h e m a t e r i a l , s o m e p a r t s a r e r i c h i n p r o p e rt y a n d s o m e a r e p o o r . t h r o u g h s t r a i n c o n t r o l l a b l e f o r g i n g t o a c h i e v e t h e d u a l p r o p e r ty c o m p r e s s o r d i s k w i t h e q u i a x e d s t ru c t u r e i n t h e c o re a n d b a s k e t w e a v e s t ru c t u r e i n t h e r i m c a n e x e rt f u l l p o t e n t i a l p r o p e rt y o f m a t e r i al , a n d s a t i s f y t h e d e m a n d o f h i g h t h ru s t - m as s r a t i o n o f e n g i n e . s t u d i n g t h e i n fl u e n c e o f p r o c e s s i n g p a r a m e t e r s o n t h e g l o b u l a r i z a t i o n o f l a m e l l a r a mi c r o s t r u c t u r e i n t i - 1 7 a l l o y i s t h e k e y t e c h n i q u e o f p r o d u c i n g t h e d u a l - p r o p e rt y c o mp r e s s o r d i s k u s i n g s t r a i n c o n t r o l l a b l e f o r g i n g . i n t h i s t h e s i s , i s o t h e r ma l c o m p r e s s i o n t e s t , m e t a l lu r g i c al a n al y s i s , i s o t h e r m al f o r g i n g , t h e o ry o f p r o c e s s i n g m a p a n d s e m w e r e u s e d t o a n al y z e t h e h o t d e f o r m a t i o n b e h a v i o r , t h e e ff e c t o f p r o c e s s i n g p a r a m e t e r s o n t h e g l o b u l a r i z a t i o n a n d t h e g l o b u l a r m e c h a n i s m . t h e ma i n c o n c l u s i o n s s h o w t h a t : 1 . t i - 1 7 a l l o y i s s e n s i t i v e t o t h e v a r i e t y o f t e mp e r a t u r e a n d s t r a i n r a t e , a n d t h e fl o w c u r v e s e x h i b i t e d a p e a k s t r e s s f o l l o w e d b y fl o w s o ft e n i n g . a t h i g h s t r a i n r a t e , ty p ic a l ly l o s , d i s c o n tin u o u s y ie ld in g fo l lo w e d b y fl o w o s c illa t io n s w a s o b s e r v e d in 日 p h as e r e g i o n . 2 . t h e d e f o r m a t i o n d e g r e e i s t h e m a j o r f a c t o r o f g l o b u l a r i z a t i o n . a t o p t i m a l t e m p e r a t u r e a n d s t r a i n r a t e , t h e l a me l l a r s t ru c t u r e c a n f u l l y g l o b u l a r i z e w h e n t u r e s t r a i n r e a c h e d 0 . 8 a n d t h e o r d e r o f s t r a i n w as m u c h l o w e r t h a n t i - 6 a 1 - 4 v , w h i c h s t r a i n s o f t h e o r d e r o f 2 - 2 . 5 w e r e r e q u i r e d t o y i e l d a n al m o s t f u l l y g l o b u l a r i z e d mi c r o s t r u c t u r e . 3 . a n e w h y p e r b o l i c s i n e c o n s t i t u t i v e e q u a t i o n d e s c r i b e d b y t h e p a r a me t e r s z e n e r - h o l l o ma n w a s p r o p o s e d i n t i - 1 7 a n d w e l l v e r i f i e d b y t h e e x p e r i me n t . 4 . t h e p r o c e s s i n g ma p o f t i - 1 7 a l l o y w a s f i r s t l y e s t a b l i s h e d . a s a r e s u l t , t h e o p t i m u m p r o c e s s in g c o n d i t i o n o f g l o b u l a r i z a t i o n o f l a m e l l a r a f o r t i - 1 7 a l l o y i s d u r in g 8 4 08 7 0 0c , 0 .5 - 3 s -1 ; t i- 1 7 al l o y e x h ib its fl o w in s ta b ilit y r e g im e s d u e to a d ia b a tic s h e a r b a n d s fo r m a t io n a t h ig h e r st r a in r a te s ( 5 s 一 1) a t 8 7 0 9 1 0 0c . 5 . t h e p r o c e s s i n g m a p o f t i - 1 7 a l l o y w a s v e r i f i e d b y t h e i s o t h e r m a l f o r g i n g . 西北工业大学工学硕士学位论文 t h e m e c h a n i c a l p r o p e r ty o f t h r e e d i ff e r e n t m i c r o s t r u c t u r e a c h i e v e d b y d i ff e r e n t s t r a i n ( 3 0 % , 4 0 % , 8 0 % ) w a s t e s t e d . i t s h o w s t h a t , o b t a i n i n g d i ff e r e n t m e c h a n i c a l p r o p e rt y b y c o n t r o l l i n g t h e s t r a i n w h i c h m a k e s d i ff e r e n t m i c r o s t r u c t u r e i s d o a b l e . 6 . t h e me c h a n i s m o f g l o b u l a r i z a t i o n f o r t i - 1 7 a l l o y d u r i n g t h e h o t d e f o r ma t i o n i s s i m i l a r t o m o d e l w h i c h w a s p r o p o s e d b y ma r g o l i n a n d c o h e n : f i r s t l y , t h e s u b b o u n d a r i e s w e r e f o r m e d w i t h i n t h e l a me l l a r a b y m e a n s o f d y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o n ; s e c o n d l y , t h e s u b b o u n d a r i e s w e r e s e p a r a t e d b e c a u s e o f t h e s l i p s o f a / a b o u n d a r i e s ; a n d f i n a l l y , t h e s p l i tt i n g b o u n d a r i e s w e r e f u r t h e r g l o b u l a r i z e d . k e y w o r d s : t i - 1 7 t i t a n i u m a l l o y ; d u a l p r o p e r ty ; l a m e l l a r s t r u c t u r e ; g l o b u l a r i z a t i o n ; h o t c o m p r e s s i o n e x p e r i m e n t s ; p r o c e s s i n g m a p 第 i 章 文献综述 第1 章 文献综述 1 . 1 钦及钦合金的应用 钦是2 0 世纪5 0 年代发展起来的一种重要的结构金属， 它具有比 强度高、 中温性能和耐腐蚀性好等显著优点， 在航空、航天、 航海、能 源、化工、医药 等领域具有广阔的应用前景 1 1 ， 特别适合制 作飞机结构件和航空发动机件转动 件和机匣等。钦合金被称作钢、铝之外的世界第三金属，某种意义上讲，一个 国家飞机上的用钦量是衡量这个国家军事实力的一个重要指标。目 前，国 外发 达国 家先进飞 机的用钦量已 达飞 机结构总重的3 0 % - 3 5 % ， 如波音 7 4 7 飞机用认 量达 4 2 . 7 吨/ 架， 7 7 7 e r飞机用钦量达 6 8 吨/ 架， 而 f - 2 2战斗机用钦量甚至占全 机 重 量的4 1 % . 钦 合金已 成 为 现 代飞 机不 可 缺 少的 结构 材 料 之 一 2-5 1 ， 据 统计 ， 如果结 构重量减少巧%， 则飞 机的起飞滑跑距离可以缩短 巧%， 航程可以 增加 2 0 %， 有效载重可以提高3 0 %。因此，高 速飞机上的机身隔框、发动机舱、 一 起 落架枢轴和某些受力件等零部 件都己 改用钦合金 6 1 现代航空 燃气涡轮发动机中钦合金的 应用己占其重量的3 0 %，主要用于制 造压气机和风扇的盘件和叶片、 压气机机匣、外涵道壳体、轴承壳体、尾喷口 调节器等。 其中压气机是钦合金使用最集中的部件， 其重量占 发动机钦用量的 9 5 % 。由 于发动机推重比不断提高，压气机的出口温度己经上升到 5 0 0 - 6 0 0 0 c 。 选用钦合金代替耐热不锈钢， 制造高压压气机盘件和叶片， 不仅可以 减 轻结构重量， 还可以 显著降低因离心力作用而产生的拉应力。航空发 动机应用 钦合金在减轻结构重量，增加推重比和提高使用性能及安全可靠性方面均有重 要意义。 1 .2两相牡合金的典型徽观组织 钦合金的微观组织形态主要取决于合金的化学成份、变形工艺和热处理规 范。对于化学成分已经确定的合金，要想得到期望的微观组织和力学性能，就 只能通过变形和热处理来达到。 o . n . 索朗宁 娜等 $ 1 将两相钦合金的 微观组 织大 致分为四类: 第一类: 等轴组织。 其特点是在转变p 基体上分布着5 0 %以 上的 等轴a 相 如 第1 章文献综述 第1 章文献综述 1 1 钛及钛合金的应用 钛是2 0 世纪5 0 年代发展起来的一种重要的结构金属，它具有比强度高、 中温性能和耐腐蚀性好等显著优点，在航空、航天、航海、能源、化工、医药 等领域具有广阔的应用前景1 1 1 ，特别适合制作飞机结构件和航空发动机件转动 件和机匣等。钛合金被称作钢、铝之外的世界第三金属，某种意义上讲，一个 国家飞机上的用钛量是衡量这个国家军事实力的一个重要指标。目前，国外发 达国家先进飞机的用钛量已达飞机结构总重的3 0 - 3 5 ，如波音7 4 7 飞机用钛 量达4 2 7 吨架，7 7 7 e r 飞机用钛量达6 8 吨架，而f 一2 2 战斗机用钛量甚至占全 机重量的4 1 。钛合金已成为现代飞机不可缺少的结构材料之一 2 巧】，据统计， 如果结构重量减少1 5 ，则飞机的起飞滑跑距离可以缩短1 5 ，航程可以增加 2 0 ，有效载重可以提高3 0 。因此，高速飞机上的机身隔框、发动机舱、起 落架枢轴和某些受力件等零部件都已改用钛合金【6 j 。 现代航空燃气涡轮发动机中钛合金的应用已占其重量的3 0 ，主要用于制 造压气机和风扇的盘件和叶片、压气机机匣、外涵道壳体、轴承壳体、尾喷口 调节器等。其中压气机是钛合金使用最集中的部件，其重量占发动机钛用量的 9 5 【7 】。由于发动机推重比不断提高，压气机的出口温度已经上升到5 0 0 6 0 0 。选用钛合金代替耐热不锈钢，制造高压压气机盘件和叶片，不仅可以减 轻结构重量，还可以显著降低因离心力作用而产生的拉应力。航空发动机应用 钛合金在减轻结构重量，增加推重比和提高使用性能及安全可靠性方面均有重 要意义。 1 2 两相钛合金的典型微观组织 钛合金的微观组织形态主要取决于合金的化学成份、变形工艺和热处理规 范。对于化学成分已经确定的合金，要想得到期望的微观组织和力学性能，就 只能通过变形和热处理来达到。o 兀索朗宁娜等嘲将两相钛合金的微观组织大 致分为四类： 第一类：等轴组织。其特点是在转变b 基体上分布着5 0 以上的等轴0 【相( 如 西北工业丈学【掌硕士学位论文 图1 1 所示) 。一般在加热温度低于相交点以下3 0 5 0 的情况下形成。这种 组织具有较高的塑性，尤其是断面收缩率较高，但是断裂、冲击韧性和持久强 度较差。 第二类：混合组织。其特点是在转变d 组织的基体上分布着一定数量的初生 血相，但总含量不超过5 0 。转变1 3 实际上是次生旺相和残余b 相的混合体，在光 学显微镜下观察时发暗，初生啦相则呈发亮的颗粒。如图l l ( b ) 所示。 第三类：网篮组织。其特点是原始b 晶粒边界不同程度地被破碎，晶界c , 已 经不明显，晶内片状a 变短变粗，在原始b 晶粒的轮廓内交错分布，编织成呈网 篮状( 如图1 - 1 ( c ) 所示) 。这种组织断裂韧性好，持久强度高，具有高的热强性 和抗蠕变性能，但塑性、热稳定性和疲劳性能较低。获得这种组织的方法是最 后一火在d 区加热坯料，在( 值+ $ ) 区或1 3 区结束的变形。 ( a ) 等轴组织 “) 网篮组织 图1 1两相钛合金的典型组织 混合组织 ( d ) 魏氏组织 第四类：魏氏组织。其特点是原始d 晶粒边界清晰完整，晶界a 连续，晶内 理相细长平直( 如图l 一1 ( d ) 所示) 。它是由于金属在p 相区较高湿度加热或变形 第1 章文献综述 量不够或开坯时铸造组织破碎不完全而造成的。魏氏组织的断裂韧性较好，但 塑性、疲劳性能和拉伸性能都较低。在实际生产过程中，应当避免出现魏氏组 织。 1 3 两相钛合金组织与性能的关系 钛合金的力学性能决定于微观组织，不同的微观组织形态对应于不同的力 学性能。钛合金热加工与组织形成的关系，不同的锻造工艺参数得到不同的组 织，等轴属于球状组织，网篮和魏氏属片状组织。而混合组织中既有等轴结构， 又有片状结构，下面就球状组织和片状组织，特别是上述四种典型组织对性能 的影响进行讨论。 一组织对室温拉伸性能的影响 拉伸试验对组织最为敏感的是塑性，特别是断面收缩率。许多文献研究表 明：片状组织与球状组织相比，断面收缩率的下降可达7 0 8 0 ，延伸率下降 为4 0 5 0 ，而强度极限和屈服极限的变化则不超过1 2 0 ，即变化不大， 有时略有增大喁1 。 由表1 - 1 可以看出，四种典型组织的拉伸强度变化不大，而塑性则由魏氏 组织一网篮组织一混合组织一等轴组织渐高。等轴组织的塑性最好，魏氏组织 的塑性最差，混合组织和网篮组织的塑性居中。 表1 1t c 4 合金四种典型组织对机械性能的影响【9 】 机械性能 魏氏组织 网篮组织 混合组织等轴组织 拉伸强度( 吼，m p a ) 1 0 2 01 0 1 0 19 8 0 79 6 1 1 延伸率( 6 5 ，) 9 51 3 51 3 01 65 断面收缩率( v ，) 1 9 53 54 0 04 5 0 冲击韧性( a k ，k j m 2 ) 3 5 5 35 3 34 3 4 34 7 3 8 断裂韧性( k i c ，m p a 磊) 1 0 2 5 8 9 疲劳极限( d ( n = 1 0 7 ) ，m p a ) 4 1 8 84 8 6 4 4 9 72 5 2 2 7 持久( 4 0 0 c ，6 4 7 m p a , h ) 4 0 0 1 8 7 9 2 蠕变残余变形 01 2 5o 1 4 2o 1 6 2 ( 4 0 0 c ，2 9 4 m p a , ) 第 1章 文献综述 量不够或开坯时 铸造组织破碎不完全而造成的。魏氏 组织的断裂韧性较好，但 塑性、疲劳性能和拉伸性能都较低。 在实际生产过程中，应当避免出现魏氏 组 织 。 1 . 3 两相教合金组织与性能的关系 钦合金的力学性能 决定于微观组织， 不同的微观组织形态对应于不同的力 学性能。钦合金热加工与组织形成的关系，不同的锻造工艺参数得到不同的组 织， 等轴属于球状组织， 网篮和魏氏属片状组织， 而混合组织中既有等轴结构， 又有片状结构，下面就球状组织和片状组织， 特别是上述四种典型组织对性能 的影响进行讨论。 一 组织对室温拉伸性能的影响 拉伸试验对组织最为敏感的是塑性，特别是断面收缩率。许多文献研究表 明:片状组织与球状组织相比，断面收缩率的下降可达 7 0 - 8 0 %，延伸率下降 为 4 05 0 ，而强度极限和屈服极限的变化则不超过 1 02 0 ，即变化不大， 有时略有增大8 1 由表 1 - 1 可以 看出，四 种典型组织的拉伸强 度变化不大， 而塑性则由 魏氏 组织网篮组织混合组织等轴组织渐高。 等轴组织的塑性最好， 魏氏 组织 的塑性最差，混合组织和网篮组织的塑性居中。 表1 - 1 t c 4 合金四种典型组织对机械性能的影响19 1 机械性能魏氏组织网篮组织混合组织等轴组织 拉伸强度( 9 b , m p a ) 1 0 2 01 0 1 0 . 19 8 0 . 79 6 1 . 1 延伸率( 6 5 , % ) 9 .51 3 .51 3 刀1 6 . 5 断面收缩率 w . % ) 1 9 . 53 54 0 .04 5 刀 冲 击韧 性 ( a k ,k j / m 2 ) 3 5 5 . 35 3 34 3 4 . 34 7 3 .8 断 裂 韧 性 ( k ,c , m p a 而) 1 0 2 5 8 .9 疲劳 极 限 ( a ( n = 1 0 ) , m p a ) 4 1 8 . 84 8 6 . 44 9 7 . 25 2 2 7 持久( 4 0 0 c , 6 4 7 m p a , h ) 4 0 01 8 79 2 蠕变残余变形 ( 4 0 0 0c , 2 9 4 mp a ,%) 0 . 1 2 50 . 1 4 20 . 1 6 2 西北工业大学工学硕士学位论文 二.组织对热强性的影响 钦合金的热强性是 指高温下的拉伸强度、 持久强度和蠕变强度。大量的研 究表明:片状组织的热强性要比球状组织的高。在上述四种典型组织中，网篮 组织的热强性最好，即网篮组织具有最好的高温拉伸强度、持久强度和蠕变强 度的综合性能 魏氏 组织次之，等轴组织的 热强性最低。这一点由 表 1 - 2 可以 看出。 表1 - 2 t c i i 合金的持久强度和蠕变极限与组织类型的关系1 0 1 显微组织的类型 持久强度蠕变极限 5 0 0 0 c , a , do , mp a5 0 0 0c , x 0 .2 / , 0 0 , mp a 等轴组织 5 5 9 .2 - 5 8 8 .6 2 9 4 . 3 - - 3 5 3 .2 网篮组织6 3 7 . 7 - - 6 6 7 . 1 3 2 3 . 4 3 9 2 . 4 魏氏组织 5 8 8 .6 6 3 7 .73 4 3 .4 3 9 2 .4 三.组织对疲劳性能的影响 根据大量的研究表明:光滑试样在对称循环高 频应力作用下， 球状( 等轴) 组 织比 片 状组 织 有 更高 的 疲 劳 强 度 11 1 。 在 上 述 四 种 典 型 组织 中 ， 等 轴 组 织的 疲 劳性能最好，其次是混合组 织，再次是网篮组织， 魏氏组织的疲劳性能最差， 如表 1 - 3 所示。 表 1 - 3 不同 组织对t c 6 合金疲劳极限的影响 。 2 1 显微组织类型 热处理 制度 x _ , ( 2 0 0c) , mp ax _ , ( 5 0 0 0c ) , mp a 光滑试样 缺口试样光滑试样缺口试样 等轴组织 i5 1 9 名4 41 .34 5 1 . 13 3 3 4 i i6 0 8 4 7 0 . 7 网篮组织 i 4 9 0 .43 5 3 . 141 1 . 93 0 4 i i 5 7 8 . 64 21 .7 魏氏组织 i4 41 . 33 1 3 名3 2 7 . 72 5 5 i i5 1 9 名3 9 2 . 3 注:i 热处理制度为等温退火:i i 为8 4 0 0 c / wq + 5 0 0 0 c , 5 h / a c 第 1 章 文献综述 四.组织对断裂特性的影响 合金的断 裂特性包括断裂韧性、 断裂强度和 裂纹扩展速率。 文献 1 3 1 , 1 4 1 的 研究 表明 : 在 p 相 区 变 形 得到 的 片 状 组 织， 可 保 证比 (a 十 p ) 两 相区 得到 的 球 状 组织有更高的断裂韧 性、断裂强度和更低的裂纹扩展速率水平，表 1 - 4是两种 钦合金不同组织对断裂韧性的影响。 表 1 - 4 两种钦合金不同组织对断裂韧性的影响 合金组织类型 9 0 .2 . mp a( k ic , m p a 痴 ) t i 6 2 4 2 等轴组织 1 1 5 . 5 2 0 3 1 针状组织 1 1 4 . 1 2 9 . 8 - -5 3 t i - 6 al - 4 v 等轴组织9 3 . 14 4 . 3 - 6 7 针状组织 8 9 .6 8 8 .7 -1 01 .7 在上述各种组织中， 等轴组织比网篮组 织的断裂韧性低， 裂纹扩展速率大， 而混合组织又比等轴组织好。 在等轴组织中， 初生a 数量 减少， 断裂韧性增高。 1 .4 t i - 1 7 徽合金概况 t i - 1 7 钦合金是一种富p 的。 +a 型钦合金， 是由 美国 通用电 器公司在七十年 代为先进的 g e发动机研制成功的钦合金。它具有高的强度、高的韧性和高的 淬透性， 又称为“ 三高” 钦合金。 t i - 1 7 合金不但具有( a +(3 ) 型钦合金的 特点， 也 具有p 型钦合金的某些特 点，是一种过渡型钦合金。其名义成分为 t i - 5 a i - 4 mo - 4 c r - 2 s n - 2 z r ，合金元素含量总和为 1 7 %, 所以叫 做 t i - 1 7 。 其中 a l , s n , z r 金属元素主要用于固溶强化a 相，添加m o , c r 为了固溶强化p 相。 由于m o 是同晶型p 稳定元素，既能有效地强化r 相， 又能 提高合金的淬透性。 加入 c r 不仅具有强烈的p 稳定效果， 而且由c r 稳定的 p 相比 其它同晶型p 稳定 元素具有更高的 延展性和韧性。 此外， 采用mo , c r 同时稳定p 相， 能阻止共析 合金分解形成的t i c r 2 金属间 化合物，从而提高了 合金的热稳定性。 t i - 1 7 合金 通过热处理，可以达到强度、塑性和韧性的良好匹配。比如，经热处理，t i - 1 7 合金的屈服强度与t i - 6 a l - 6 v - 2 s n 相当， 可达 1 0 5 0 1 1 9 0 m p a ， 比t i - 6 a 1 - 4 v高。 塑性和断裂韧性也优于 t i - 6 a 1 - 6 v - 2 s n ,蠕变性能也高于 t i - 6 a l - 4 v。光滑及断 第 1 章 文献综述 四.组织对断裂特性的影响 合金的断 裂特性包括断裂韧性、 断裂强度和 裂纹扩展速率。 文献 1 3 1 , 1 4 1 的 研究 表明 : 在 p 相 区 变 形 得到 的 片 状 组 织， 可 保 证比 (a 十 p ) 两 相区 得到 的 球 状 组织有更高的断裂韧 性、断裂强度和更低的裂纹扩展速率水平，表 1 - 4是两种 钦合金不同组织对断裂韧性的影响。 表 1 - 4 两种钦合金不同组织对断裂韧性的影响 合金组织类型 9 0 .2 . mp a( k ic , m p a 痴 ) t i 6 2 4 2 等轴组织 1 1 5 . 5 2 0 3 1 针状组织 1 1 4 . 1 2 9 . 8 - -5 3 t i - 6 al - 4 v 等轴组织9 3 . 14 4 . 3 - 6 7 针状组织 8 9 .6 8 8 .7 -1 01 .7 在上述各种组织中， 等轴组织比网篮组 织的断裂韧性低， 裂纹扩展速率大， 而混合组织又比等轴组织好。 在等轴组织中， 初生a 数量 减少， 断裂韧性增高。 1 .4 t i - 1 7 徽合金概况 t i - 1 7 钦合金是一种富p 的。 +a 型钦合金， 是由 美国 通用电 器公司在七十年 代为先进的 g e发动机研制成功的钦合金。它具有高的强度、高的韧性和高的 淬透性， 又称为“ 三高” 钦合金。 t i - 1 7 合金不但具有( a +(3 ) 型钦合金的 特点， 也 具有p 型钦合金的某些特 点，是一种过渡型钦合金。其名义成分为 t i - 5 a i - 4 mo - 4 c r - 2 s n - 2 z r ，合金元素含量总和为 1 7 %, 所以叫 做 t i - 1 7 。 其中 a l , s n , z r 金属元素主要用于固溶强化a 相，添加m o , c r 为了固溶强化p 相。 由于m o 是同晶型p 稳定元素，既能有效地强化r 相， 又能 提高合金的淬透性。 加入 c r 不仅具有强烈的p 稳定效果， 而且由c r 稳定的 p 相比 其它同晶型p 稳定 元素具有更高的 延展性和韧性。 此外， 采用mo , c r 同时稳定p 相， 能阻止共析 合金分解形成的t i c r 2 金属间 化合物，从而提高了 合金的热稳定性。 t i - 1 7 合金 通过热处理，可以达到强度、塑性和韧性的良好匹配。比如，经热处理，t i - 1 7 合金的屈服强度与t i - 6 a l - 6 v - 2 s n 相当， 可达 1 0 5 0 1 1 9 0 m p a ， 比t i - 6 a 1 - 4 v高。 塑性和断裂韧性也优于 t i - 6 a 1 - 6 v - 2 s n ,蠕变性能也高于 t i - 6 a l - 4 v。光滑及断 西北工业大学工学硕士学位论文 口疲劳试样周期疲劳性能良好。 由于 t i - 1 7 合金的性能优良， 在航空 工业上得到了重视和发展，并得到了 推广和运用 。1 9 7 3年，通用电器公司锻制了 t i - 1 7风扇及压气机盘 ，用于 g e f 4 0 4 , f 1 0 1 ( b i a )和j 1 0 1 ( p - 6 0 0 ) 发动机。 后来， t i - 1 7 合金又被制成发 动机的 轴、 压气 机盘及叶片， 成功用于f 1 5 , f 1 6 战斗机及c f m发动机上。 另 外， t i - 1 7 合金还被用作机翼的配件、 发动机的安装、 襟翼、 泵壳、 起落架等部 件。t i - 1 7 合金的相变点为8 9 0 左右， 无论是 p 锻造还是a +p 锻造，只要热处 理制度适宜均能获得 良好的力学性能。 1 .5 本文的研究背景 现代燃气涡轮发动机正向推力大、油耗低、推重比高和使用寿命长的方向 发展。这一发展要 通过压气机增压比 和涡 轮进口 温度的 提高 来实 现 1 5 1 。 新一代 的高性能的飞机发动机要求推重比达到 1 0 - - 1 5 ，而推重比的增大必然导致压气 机和涡轮转速的提高。因 此，发动机压气机盘在飞机服役过程中将承受更大的 机械应力和温差所引起的热应力的叠加作用。若采用传统的单一组织的盘件， 必然导致某些部位性能富余，某些部位性能不足，不能充分发挥材料的性能潜 力， 难以 满足高 性能发动机的 要求。盘辐部位承受最大的应力，因此要求它具 有高的屈服强度和最大的抗拉强度。 盘缘部 位承受较小的 应力 但在高温状态下 工作，因而对此部位重要的是抗蠕变、 断裂性能 1 1 6 1 。因 此，探索双金属、 双性 能或渐变功能材料的制取与结构制造技术，以 提高未来飞机发动机构件在高梯 度应力场和温度场环境下的工作能力，成为许多发达国家未来发展战略的一个 重要组成部分。对于两相钦合金，如果能得到中心为等轴组织，边缘为网篮组 织的双重组织盘件，就能满足其双重性能的要求。 1 .6国内外制造双性能盘的主要方法 制造双性能盘在国内外己 开展研究， 其中 双性能高 温合金粉末盘是一个非 常成功的 例子， f - 1 1 9单级高、 低压涡轮采用就为镍基合金粉末冶金涡轮盘。 粉末盘经热等静压和等温锻造成形后经双重热处理形成双性能轮盘，即沿轮盘 西北工业大学工学硕士学位论文 口疲劳试样周期疲劳性能良好。 由于 t i - 1 7 合金的性能优良， 在航空 工业上得到了重视和发展，并得到了 推广和运用 。1 9 7 3年，通用电器公司锻制了 t i - 1 7风扇及压气机盘 ，用于 g e f 4 0 4 , f 1 0 1 ( b i a )和j 1 0 1 ( p - 6 0 0 ) 发动机。 后来， t i - 1 7 合金又被制成发 动机的 轴、 压气 机盘及叶片， 成功用于f 1 5 , f 1 6 战斗机及c f m发动机上。 另 外， t i - 1 7 合金还被用作机翼的配件、 发动机的安装、 襟翼、 泵壳、 起落架等部 件。t i - 1 7 合金的相变点为8 9 0 左右， 无论是 p 锻造还是a +p 锻造，只要热处 理制度适宜均能获得 良好的力学性能。 1 .5 本文的研究背景 现代燃气涡轮发动机正向推力大、油耗低、推重比高和使用寿命长的方向 发展。这一发展要 通过压气机增压比 和涡 轮进口 温度的 提高 来实 现 1 5 1 。 新一代 的高性能的飞机发动机要求推重比达到 1 0 - - 1 5 ，而推重比的增大必然导致压气 机和涡轮转速的提高。因 此，发动机压气机盘在飞机服役过程中将承受更大的 机械应力和温差所引起的热应力的叠加作用。若采用传统的单一组织的盘件， 必然导致某些部位性能富余，某些部位性能不足，不能充分发挥材料的性能潜 力， 难以 满足高 性能发动机的 要求。盘辐部位承受最大的应力，因此要求它具 有高的屈服强度和最大的抗拉强度。 盘缘部 位承受较小的 应力 但在高温状态下 工作，因而对此部位重要的是抗蠕变、 断裂性能 1 1 6 1 。因 此，探索双金属、 双性 能或渐变功能材料的制取与结构制造技术，以 提高未来飞机发动机构件在高梯 度应力场和温度场环境下的工作能力，成为许多发达国家未来发展战略的一个 重要组成部分。对于两相钦合金，如果能得到中心为等轴组织，边缘为网篮组 织的双重组织盘件，就能满足其双重性能的要求。 1 .6国内外制造双性能盘的主要方法 制造双性能盘在国内外己 开展研究， 其中 双性能高 温合金粉末盘是一个非 常成功的 例子， f - 1 1 9单级高、 低压涡轮采用就为镍基合金粉末冶金涡轮盘。 粉末盘经热等静压和等温锻造成形后经双重热处理形成双性能轮盘，即沿轮盘 西北工业大学工学硕士学位论文 口疲劳试样周期疲劳性能良好。 由于 t i - 1 7 合金的性能优良， 在航空 工业上得到了重视和发展，并得到了 推广和运用 。1 9 7 3年，通用电器公司锻制了 t i - 1 7风扇及压气机盘 ，用于 g e f 4 0 4 , f 1 0 1 ( b i a )和j 1 0 1 ( p - 6 0 0 ) 发动机。 后来， t i - 1 7 合金又被制成发 动机的 轴、 压气 机盘及叶片， 成功用于f 1 5 , f 1 6 战斗机及c f m发动机上。 另 外， t i - 1 7 合金还被用作机翼的配件、 发动机的安装、 襟翼、 泵壳、 起落架等部 件。t i - 1 7 合金的相变点为8 9 0 左右， 无论是 p 锻造还是a +p 锻造，只要热处 理制度适宜均能获得 良好的力学性能。 1 .5 本文的研究背景 现代燃气涡轮发动机正向推力大、油耗低、推重比高和使用寿命长的方向 发展。这一发展要 通过压气机增压比 和涡 轮进口 温度的 提高 来实 现 1 5 1 。 新一代 的高性能的飞机发动机要求推重比达到 1 0 - - 1 5 ，而推重比的增大必然导致压气 机和涡轮转速的提高。因 此，发动机压气机盘在飞机服役过程中将承受更大的 机械应力和温差所引起的热应力的叠加作用。若采用传统的单一组织的盘件， 必然导致某些部位性能富余，某些部位性能不足，不能充分发挥材料的性能潜 力， 难以 满足高 性能发动机的 要求。盘辐部位承受最大的应力，因此要求它具 有高的屈服强度和最大的抗拉强度。 盘缘部 位承受较小的 应力 但在高温状态下 工作，因而对此部位重要的是抗蠕变、 断裂性能 1 1 6 1 。因 此，探索双金属、 双性 能或渐变功能材料的制取与结构制造技术，以 提高未来飞机发动机构件在高梯 度应力场和温度场环境下的工作能力，成为许多发达国家未来发展战略的一个 重要组成部分。对于两相钦合金，如果能得到中心为等轴组织，边缘为网篮组 织的双重组织盘件，就能满足其双重性能的要求。 1 .6国内外制造双性能盘的主要方法 制造双性能盘在国内外己 开展研究， 其中 双性能高 温合金粉末盘是一个非 常成功的 例子， f - 1 1 9单级高、 低压涡轮采用就为镍基合金粉末冶金涡轮盘。 粉末盘经热等静压和等温