新型钛锆合金马氏体冷变形及后续时效过程组织超细化机理研究

Light and high strength alloys are always the important research direction of structural materials in aerospece filed. The low density and ultra-high specific strength of new TiZr-based alloys have tremendous application potential in aerospace field as structure materials. In this project, new TiZr-based alloys with martensite will be selected to investigate the microstructural evolution law and ultra-fining mechanism during cold deformation and subsequent aging treatment. The main research subjects are: (1) Investigating the microstructural evolution law and deformation mechanism of the new TiZr-based alloys with martensite during cold deformation. (2) Exploring the decomposition mechanism of deformation martensite with plenty of complex sub-structure (such as high density dislocations, deformation twins, low angle grain boundaries, and sub-grain so on) and microstructural ultra-fining mechanism during aging heat treatment following cold deformation. (3) Building the microstructural ultra-fining model and developing a new ultra-fining technique with industrial value for the new TiZr-based alloys based on large experimental data. The present research will have important theoretical and practical significances in deepening and enriching microstructural evolution theory, developing ultra-fining technique, and promoting practical applications in aerospace field of ultra-fine grain metallic materials with excellent properties.

轻质高强合金一直是航空航天领域结构材料的重要研究方向。新型钛锆合金因其低密度和超高的比强度，具有作为航空航天领域结构材料应用的巨大潜力。本课题拟以新型钛锆合金为研究对象，对其马氏体组织冷变形及后续时效过程中的微观组织演变规律及超细化机理进行基础科学研究。具体研究内容包括：（1）研究新型钛锆合金马氏体冷变形过程中的微观组织演变规律及相应的马氏体冷变形机制；（2）探索含大量复杂亚结构（高密度位错、变形孪晶、小角度晶界、亚晶等）的变形马氏体时效过程固态分解机制及组织超细化机理；（3）以大量实验结果为基础，建立新型钛锆合金组织超细化模型，发展具有工业应用价值的超细晶新型钛锆合金的制备新技术。本课题的研究对深化和丰富金属材料组织演变理论，发展组织超细化新技术及促进高性能超细晶材料在航空航天领域的应用具有重要的理论意义与实际价值。

本课题以新型钛锆合金为研究对象，对其马氏体组织冷变形及后续时效过程中的微观组织演变规律及超细化机理进行基础科学研究。经过项目的研究获得的主要研究成果包括：（1）通过研究合金成分对钛锆基合金的马氏体相变的研究，明确了合金元素对钛锆基合金马氏体相变的规律，尤其是中性元素锆元素的含量超过一定的量后会有效的稳定高温相，抑制马氏体的形成。（2）通过对含马氏体相的新型钛锆合金的不同条件下室温轧制的研究及分析，明确了新型钛锆基合金在冷变形过程中的微观组织演变规律及相应的马氏体冷变形机制。结果表面，冷轧变形能够使得钛锆基合金中残余的β相继续向马氏体转变。钛锆基合金中马氏体冷变形主要是以位错滑移的方式，没有观察到变形孪晶；（3）通过对冷变形后的新型钛锆基合金不同温度的时效热处理，探明了冷变形钛锆基合金马氏体在不同时效条件下的分解机制。经过热轧和80%大塑性变形量的冷轧后，合金在650℃以下保温20分钟后，有少量的ω相出现。此外，还存在α"相来不及分解而被保留。700℃以上主要为β相和α相；获得了具有超细化组织的钛锆基合金及其组织超细化机理；具有马氏体组织的钛锆基合金在冷变形时，促进残余β相晶粒中心形成马氏体，导致马氏体的分布直接固溶得到的晶界马氏体均匀。均匀分布的马氏体是后续时效过程中的形核位置，从而使得其形核数更多并且分布均匀，容易获得超细晶组织；（4）以不同时效条件下，变形钛锆基合金的微观组织转变为基础，以热力学动力学理论为依据，建立了变形钛锆基合金时效工艺与晶粒尺寸关系的组织细化模型，发展了具有工业应用价值的超细晶新型钛锆合金的制备新技术。本课题的成果对新型钛锆基合金的实际应用具有重要的促进和保障作用，同时对金属材料形变及热处理过程中的微观组织演变理论具有重要的深化和扩展意义。