摘 要

本课题主要研究β退火热处理工艺对TC4-xFe合金组织的影响规律，探讨不同Fe添加量（质量分数分别为0.18wt.%,0.35wt.%和0.55wt.%）对TC4合金组织形貌的演变过程的影响，研究合金在β退火热处理工艺后经过不同的冷却处理（水冷、空冷、炉冷）对合金硬度的影响，为今后的实际应用提供理论依据。实验结果表明，在经过1000℃β退火后可以有效提高TC4合金的硬度，相较原始试样硬度提升约30%，且添加的Fe含量越高，合金硬度越大。其中在β退火后采取水冷对TC4合金硬度的提升最大，其组织整体呈网篮组织状（初生α相 针状马氏体 β相），由于试验生成的针状马氏体内部存在大量的退火孪晶，引起了硬度的上升，同时也带来了塑性的下降。

关键词：TC4-xFe合金 β退火 Fe含量 硬度 组织

Effect of Beta Annealing on Evolution of Microstructure of TC4-xFe alloy

Abstract

This subject mainly research the beta annealing heat treatment process on the influence law of TC4-xFe alloy organization,discuss different Fe content (adding iron were 0.18wt.%, 0.35wt.% and 0.55wt.%) influence on the evolution process of TC4 alloy tissue morphology, research the alloy in beta annealing heat treatment process after treated with different cooling (water cooling, air cooling, furnace cooling) impact on the hardness of alloy, in order to provide theoretical basis for the practical application in the future. Experimental results show that after 1000 ℃ beta can effectively improve the hardness of TC4 alloy after annealing,compared with the original stone sample hardness increase about 30%. And add the Fe content is higher, the hardness increases to a certain extent. Among them,the water in beta after annealing of TC4 alloy the maximum increase of hardness, the nets organization shape on the whole organization (primary alpha acicular martensite beta phase), as a result of the test generation acicular martensite within a large number of annealing twin, caused the higher hardness, but also lead to a drop in the plastic.

Key Words : TC4-xFe alloy ; beta annealing ; Fe content ; hardness ; microstructure

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1引言 1

1.2钛合金中合金元素的作用 2

1.3钛合金 3

1.3.1 不同热处理制度下TC4的组织与性能 4

1.3.2退火工艺对TC4合金力学性能的影响 5

1.3.3 β工艺下钛合金的组织和性能 6

1.4钛合金的热处理工艺 7

1.5 问题的提出 8

第二章 实验材料与方法 9

2.1 实验方案 9

2.2 实验材料 10

2.2.1熔炼过程 10

2.2.2锻造过程 12

2.2.3热处理过程 14

2.3实验流程 14

2.3.1金相试验 14

2.3.2力学性能试验 15

2.3.3 组织分析 15

第三章 实验结果与讨论 16

3.1冷却方式对不同Fe含量合金组织的影响 16

3.1.1不同冷却方式对组织的影响 17

3.2.2不同Fe含量对组织的影响 19

3.2冷却方式对不同Fe含量合金硬度的影响 19

3.2.1不同冷却方式对硬度的影响 20

3.2.2不同Fe含量对硬度的影响 21

3.3 组织变化对硬度的影响 22

第四章 结果与展望 23

4.1结论 23

4.2展望 23

参考文献 25

致 谢 28

第一章 文献综述

1.1引言

钛是具有巨大发展前景的优质材料。钛对国防建设及社会发展具有极其重要的战略意义，现今的钛工业是国家综合国力的体现。在21世纪，钛材工业必定会有一个较大的发展。

在过去的50多年中，世界范围内已经开发出了上百种钛合金，但投=真正能够在工业中使用的不足100种。近年来，我国钛合金科学迅速发展，目前我国自主研发的钛合金已有近60种，其中列入国家标准的有40多种。虽然现在钛合金的发展非常迅速，但是从科学的历史来看，钛合金还是一个刚出生不久的婴儿，它还有非常大的潜力等待挖掘。如何使钛合金降低成本，拥有更高的综合性能以及更好的适应现代生活的方方面面是今后钛合金研究的重点。主要在如下五个领域进行研究^[1]：

1. 如何让钛合金适应高温环境。随着航空航天科技的不断发展，航空发动机开始追求更高的推重比，而钛合金则是提高这一特性的不二选择。但是如何提高钛合金的耐热性成为了当今研究的热点。近些年来国内外的专家就正在研究如何让钛合金在650℃高温下进行长期工作，目前普遍的研究方向一共有三种：第一，研究以固溶体为基的较为传统的钛合金。这种合金的抗氧化能力差，而且不耐高温，经检测它的极限温度仅仅只能达到650℃，与实际需求还有较大差距；第二，研究以金属间化合物为基的钛合金。比如最近研究发现了两种具有高比强、高比模、强氧化能力的钛合金Ti₃Al基合金与TiAl基合金。这两种合金能够在高温下长期工作，他们的极限温度分别能够达到750℃和900℃。而如果在TiAl基合金中加入铌元素，它的极限温度甚至能够达到1000~1100℃。如果这种合金发展顺利的话，它完全可以取代现阶段航空航天中使用的镍基超合金，以更加轻便的优势成为发动机的“热端”；第三，大力发展钛基复合材料，如以SiC纤维增强的和以TiC或TiB颗粒增强的钛基复合材料。相较后者，SiC纤维增强的钛基复合材料技术已经成熟，它带来航空材料的“新革命”，革新航空发动机的结构，将航空发动机的推重比上升到一个新的高度。
2. 研究强度更高的综合性能更好的钛合金。现阶段，高强度钛合金的强度甚至能够与30CrMnSiA优质结构钢媲美，达到σ_b≥1250MPa的水平。但是它不耐高温，极限温度在350℃以下。而且它的伸长率与断裂韧性（K_IC）及弹性模量相较结构钢还差不少。所以人们正努力提高其综合性能，像近些年研制出的β21S合金就是既有高强度又耐热的代表。
3. 研究耐腐蚀性更好的钛合金。特别是发展在还原性介质中像Ti-32Mo一样耐蚀，但加工性较好的合金。
4. 研究多用途的专用钛合金。如新型形状记忆合金、新型储氢钛合金、恒弹性钛合金、低膨胀钛合金、高电阻钛合金、消气剂用钛合金、抗弹钛合金、透声钛合金、低屈强比易冷成型的钛合金和高应变速率的超塑成形钛合金等。
5. 发展低成本的钛合金。包括易切削加工的钛合金、不含或含有少量贵重金属元素的钛合金以及能充分利用残料的钛合金等。

1.2钛合金中合金元素的作用

我们知道，钢中的合金元素分为奥氏体稳定元素及铁素体稳定元素两大类。同钢中合金元素的分类相似，加入钛中的合金元素可以分为：α稳定元素、中性元素和β稳定元素三类。

我们将能够提高钛的β转变温度的合金元素称为α稳定元素。由于α稳定元素在元素周期表中的位置相对钛较远，所以这些元素的化学性质、电子云排布等相较钛差别很大。所以这些元素相对的也更容易与钛发生包析反应。与钛发生包析反应可以显著提高合金的β转变温度，稳定α相，因而我们将这些合金元素称为α稳定元素。比如铝、锗、镓、氧、碳、氮等均为α稳定元素。

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