Nb和W元素对高温钛合金析出相和力学性能影响机制研究

High temperature titanium alloys have been widely used in aerospace and astronautics, due to their high specific strength, low density and excellent corrosion resistance. As the development of aerospace industry, novel high-temperature titanium alloys for short-term application becomes one of the hotspots and key issues in this field. Based on our previous study on the Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si high temperature titanium alloys, it is proposed that adding high-content of Nb and W elements to further strengthen the alloys. In this project, the effects of alloying elements on the microstructures, including the composition of α and β phases and distribution characteristics (size, quantity, morphology and distribution) of nano-scale silicide and α2 precipitates, as well as the effects of thermomechanical treatment on the precipitates and mechanical properties at room and high temperatures in α+β high temperature titanium alloys will be investigated. Thus the relationship between the precipitate phases and mechanical properties (strength, plasticity and fracture mode at room and high temperatures) will be found and the strengthening mechanism of the Nb and W elements in Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-W-Si two-phase high temperature titanium alloys will be revealed. The research achievements will supply both theoretical and technological foundations to the development of novel high-performance high temperature titanium alloys for short-term using.

高温钛合金由于比强度高、密度低、耐腐蚀性能好等优点，在航空航天领域得到广泛应用。随着航天工业的发展，新型短时应用高温钛合金成为本领域研究热点与重点问题之一。本项目在申请人课题组对Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si高温钛合金前期研究的基础上，提出采用添加高含量的Nb和W元素进行强化的研究思路，通过系统研究合金化元素对α+β型两相高温钛合金的微观结构，包括α和β相的构成以及纳米级硅化物和α2析出相（尺寸、体积分数、形貌、分布）的影响规律，系统研究热机械处理工艺对相组成和室温高温力学性能的影响规律，找到相结构和组成与力学性能（室温/高温强度、塑性、断裂模式）之间的关系，从而揭示出Nb和W元素对Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-W-Si两相高温钛合金的强化机制，为发展新型高性能短时高温钛合金提供理论和技术基础。

随着高速飞行器的快速发展，对新型高性能短时高温钛合金提出迫切需求。本项目在Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si高温钛合金基础上，添加高含量的Nb、W、Mo元素进行多元复合强化，系统研究了合金微观组织及析出相的结构和分布规律，研究了热机械处理工艺对微观组织和室温高温力学性能的影响，探索了合金高温变形行为，从而揭示出Nb、W、Mo元素对两相高温钛合金的强化机制。.研究发现，W、Mo主要分布在β相中，在α相中含量极低。650℃时，随W、Mo含量增加，合金抗拉强度提高；但含量过多时，相尺寸明显细化，使屈服强度降低；Nb在β相和α相中固溶度均较高，且对组织影响小，因此对屈服强度有利。700℃时，Nb和W强化效果增强，Mo强化作用降低。增加W含量可显著提高高温大应力持久寿命。.Kβ值（β稳定元素总含量）对合金组织和性能具有显著影响。当Kβ值为0.2~0.35，W、Mo、Nb含量分别为1~2wt%、1~2wt%、2wt%时，具有良好的室温和高温性能匹配。2M2N2W合金退火后，室温延伸率17%，650℃和700℃抗拉强度分别为740MPa和530MPa，650℃/425MPa持久寿命超过1.5h。.热处理研究发现，600~830℃时效时，α相中可析出α2相，随时效温度升高或时间延长，α2相长大且粒子间距增加。由于αp相中Al含量高，α2相均匀弥散析出；而αs相中Al含量略低，导致α2相优先在αs相的界面处析出。当α2相尺寸不超过6nm时，位错切过α2相，高温强化效果随α2相尺寸增大而增强；当α2相尺寸超过7nm，位错绕过α2相，高温强化效果减弱。硅化物在片层组织的界面处析出，对室温塑性不利。.650~700℃拉伸时，等轴αp相以位错滑移为主；而片层αs相发生动态再结晶，成为合金高温动态软化的主要原因。原位拉伸研究表明，600~700℃拉伸时微孔均在界面处形核，但扩展方式不同。W、Nb、Mo元素提高了合金的界面强度，600℃时，低Kβ值合金界面强度低于晶粒强度，裂纹沿界面扩展发生沿晶断裂；而高Kβ值合金界面强度高于晶粒强度，发生穿晶断裂。650℃时，界面强度显著降低，发生沿晶断裂，W、Nb、Mo含量的增加提高了抗裂纹扩展能力，使抗拉强度和塑性提高。