【摘 要】
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TiZr基合金因其具有较高的比强度、优异的耐腐蚀性和良好的生物相容性,近年来受到了科研工作者的强烈关注,苛刻复杂的服役环境对TiZr基合金的性能要求也越来越严格。作为结构材料,强度与塑性是衡量材料力学性能的两大指标,然而在以往开发的密排六方结构α相为主的TiZr基合金强度较高而塑性则比较差,这大大限制了TiZr基合金的应用范围。针对以上问题,本文以发展高强塑TiZr基合金为目标,运用实验室和工业化
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TiZr基合金因其具有较高的比强度、优异的耐腐蚀性和良好的生物相容性,近年来受到了科研工作者的强烈关注,苛刻复杂的服役环境对TiZr基合金的性能要求也越来越严格。作为结构材料,强度与塑性是衡量材料力学性能的两大指标,然而在以往开发的密排六方结构α相为主的TiZr基合金强度较高而塑性则比较差,这大大限制了TiZr基合金的应用范围。针对以上问题,本文以发展高强塑TiZr基合金为目标,运用实验室和工业化制备技术,分别研究了TiZrAlSn合金和Ti-30Zr-5Al-3V合金在热变形和热处理工艺下的相变规律、显微组织结构和力学性能,分析和总结了相关变形机制并提出了多种制备高强塑TiZr基合金的新型途径与设计思路。通过在经典Ti-5Al-2.5Sn合金中用Zr元素替代基体元素Ti的方法,利用非自耗真空电弧炉制备了一系列TiZrAlSn合金。随着Zr含量的增加,合金的β转变温度逐渐降低,在同一轧制温度下,不同Zr含量的热轧制变形TiZrAlSn合金覆盖了α、α+β和β三个相区,其中以α’马氏体相为主的Ti-35Zr-5Al-2.5Sn合金获得了超高的屈服强度（1316±11MPa）和抗拉强度（1609±12MPa）,但是总延伸率只有3.4±0.3%。在该实验基础上了解了初生α相强度低、塑性高以及次生α’相强度高、塑性差的特性,尝试将二者特性进行综合从而达到高强塑的目的。在随后的实验过程中,以Ti-30Zr-5Al-2.5Sn合金为例在两相区进行轧制水冷的方式来实现初生α相和次生α’相的性能组合,发现合金的屈服强度并不是随着α’相含量的增加而逐渐升高,其中起主要作用的因素在于初生α相的回复与再结晶程度。在此基础之上,尝试在TiZrAlSn合金中添加Al元素的方式来获得过饱和的固溶体,获得了高强塑Ti-30Zr-7Al-2.5Sn合金,其屈服强度为1004±4MPa,均匀延伸率为6.3±0.1%以及总延伸率为22.3±0.1%。以α相为主要物相的TiZr基合金从β相区以较慢速度（如空冷和退火等）冷却下来往往得到网篮板条组织,如合金浇铸以及从β相区直接冷却等工艺得到的即是该种组织。该组织由于晶界的特殊分布以及织构的影响,往往具有较高的强度但是塑性比较差,针对该种组织我们尝试了两种解决途径:一种是利用降低合金层错能的方式引入了应力诱发形变孪晶机制实现了高强塑网篮板条铸态组织的TiZrAlSn合金开发,其屈服强度为973±10MPa,均匀延伸率9.2±0.2%和总延伸率为17.4±0.5%;另一种是尝试通过引入亚稳β相利用相变诱发塑性的方式来提高合金的塑性,利用该思路将均匀延伸率仅仅只有5.7±0.2%的初始锻态Ti-30Zr-5Al-3V合金试样提高到13.5±0.5%,同时真应力抗拉强度值得到了提高,实现了强度和塑性的双重提升,而屈服强度仅仅牺牲了～100MPa。除此之外,由于Ti-30Zr-5Al-3V合金具有较低的β转变温度,合金的变形以及初生α相的等轴化机制也更为复杂。利用Gleeble-3500试验机对Ti-30Zr-5Al-3V合金进行了α+β相区下限的热压缩变形工艺,确定了这些温度梯度试样的回复与再结晶情况从而为轧制和锻造等热变形工艺提供参考。最后,针对论文中TiZr基合金的强化机制和塑/韧性机制进行了综合的分析和讨论,为进一步开发高强塑TiZr基合金提供参考。
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