高强塑性损伤容限型钛合金微观组织形成机制及其调控技术研究

Due to the transition from traditional static strength design to damage tolerance design in the field of aerospace structural material, it is extremely necessary to develop the beta forging techonology of titanium alloy. However, the substanstial decrease of room temperature strength and ductility in beta forging process greatly limit the application and development for this technology. The combination techology of dynamic recrystallization (DRX) and heat treatment in beta forging process for typical titanium alloy will be investigated carefully. Then, in order to further play the coordination effect of grain refinement in DRX and heat treatment, which constrain the colony formation of laths and affact the component of laths, respectively. The nucleation from β to α, growth mechanism and growth behavior of α laths in the combination techonology of DRX and heat treatment will be researched. Simultaneously, the evolution process and mechanism of lamellar shaped microstructure will be explored. Based on the comprehensive analysis of lamella microstructure and by using room temperature tension, fracture toughness test and fatigue crack growth resistance test, the dependence of room temperature tensile properties and damage tolerance (including both fracture toughness and fatigue crack growth resistance) on lamella microstructure characteristics will be researched and the microscopic mechanism will be explored. After that, the formation mechanism and process control technology of lamella microstructure with high strength-ductility and better damage tolerance will be investigated. It is believed that the experiment results will open up a new way and lay a theoretical foundation for realizing a good matching among room temperature strength, ductility and damage tolerance for titanium alloy.

钛合金β锻是航空结构材料以传统满足静强度设计向现代损伤容限设计方向发展的迫切需要。然而，钛合金β锻存在大幅度降低室温强度和塑性的缺点，成为制约该工艺推广应用的主要技术瓶颈。本项目以典型钛合金为研究对象，通过对其β锻动态再结晶+热处理组合工艺技术，发挥动态再结晶晶粒细化（约束片层集束形成和发展）与热处理工艺（影响片层组成和结构）的协同作用，研究动态再结晶与热处理工艺联合机制下的β→α相形核、长大机制及α片层生长行为，揭示片状微观组织的形成机制及其演变规律；通过室温拉伸实验、断裂韧性实验和抗疲劳裂纹扩展性能实验，考虑片层微观组织结构的分析，研究室温拉伸性能和损伤容限性能（断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展性能）对片状组织结构特征的依赖关系及其微观机理，探索高强塑性损伤容限型钛合金片状微观组织的形成机制及其工艺调控方法。研究成果可为实现钛合金的强度-塑性-损伤容限的良好匹配开辟一条新途径和奠定理论基础。

钛合金β锻是航空结构材料以传统满足静强度设计向现代损伤容限设计方向发展的迫切需要。然而，钛合金β锻形成的片状组织的室温强度和塑性均很低，是迫切需要解决的问题。本课题以TA15和TB6钛合金为研究对象，采用DRX和热处理工艺联合机制来调控片状组织微观结构及性能，探索能实现高强塑性损伤容限型钛合金微观组织的形成方法及其工艺调控方法。主要研究结果如下：① 研究了TA15和TB6钛合金β相区DRX组织演变规律。结果表明，从获得均匀、细小的变形组织考虑，锻态TB6钛合金的热变形参数以应变速率≤0.1s-1，变形温度≤950℃为宜。铸态TB6钛合金在应变速率≤0.001s-1及变形温度≥950℃时为宜。双态TA15钛合金在应变速率≥0.1s-1，变形温度≤1050℃为宜。② 研究了TA15和TB6钛合金β相区DRX形核机制。结果表明，锻态TB6钛合金的DRX以晶界弓弯形核为主，铸态TB6钛合金和双态TA15动态再结晶存在晶界弓弯形核和亚晶旋转形核。③ 研究了TA15和TB6钛合金DRX动力学行为。结果表明，锻态TB6和双态TA15钛合金DRX动力学曲线均呈现“S”型，并建立了两类钛合金DRX动力学方程。④ 基于动态再结晶晶粒生长驱动力分析，构建出了动态再结晶晶粒尺寸演变模型。⑤ 研究了TA15和TB6钛合金DRX组织β相区加热的晶粒生长规律，建立了β晶粒生长动力学和尺寸预测模型。⑥ 研究了β热处理工艺（单一β退火、二重β退火及三重β退火）对两类钛合金（TA15、TB6）片状组织形成的影响规律及其机制。结果表明，三种β热处理下钛合金均可获得片状组织，片状组织以原始β晶界处形核为主。单一退火时随冷却速度降低，片层厚度近似线性增加，集束尺寸先快速增加，后缓慢增加；二重退火后片状组织随二重加热温度升高，其α片厚度增加，α集束长宽比下降，随二重保温时间增加，α片厚度和α集束尺寸均增加，片状组织局部存在由α片及α片间交叉分布的细密次生α片组成的双片状组织；三重退火后α集束尺寸随加热温度和保温时间升高而增加，片层厚度变化不大。⑦ 研究了片状组织特征参数对其强度、塑性的影响。结果表明，合金片状组织室温拉伸强度和塑性随片状组织细化而增大，也即强度、塑性与原始β晶粒尺寸、片层厚度和集束尺寸存在近似线性关系。