【摘 要】
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钛合金是现代国防建设的重要支撑材料和国民经济发展不可缺少的重要材料,然而高成本限制了其更为广泛的应用。电子束冷床熔炼技术具有除杂能力强、锭型多样、对原料适应强等优势,应用电子束冷床炉（Electron Beam Cold Hearth Furnace,EB炉）熔铸钛合金母锭,然后直接轧制成板、棒、线、管等钛合金材料,是当前开发低成本钛合金材料的主要路径之一。国内以往的研究主要针对真空自耗电极电弧熔
【基金项目】
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国家重点研发计划项目（2016YFB0301202）,《高品质超长耐蚀钛及钛合金铸锭制备关键技术研究及应用》； 云南省重大科技专项（2018ZE002）,《短流程高品质钛材生产及延伸加工成套技术研究与开发》；
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钛合金是现代国防建设的重要支撑材料和国民经济发展不可缺少的重要材料,然而高成本限制了其更为广泛的应用。电子束冷床熔炼技术具有除杂能力强、锭型多样、对原料适应强等优势,应用电子束冷床炉（Electron Beam Cold Hearth Furnace,EB炉）熔铸钛合金母锭,然后直接轧制成板、棒、线、管等钛合金材料,是当前开发低成本钛合金材料的主要路径之一。国内以往的研究主要针对真空自耗电极电弧熔炼（Vacuum Arc Remelting,VAR）的钛合金,而对EB炉熔炼钛合金及其塑性加工的研究尚处于起步阶段。本文的研究工作围绕EB炉熔炼TC4（Ti-6Al-4V）钛合金及其轧制而开展。在合金熔炼方面,重点研究了熔炼过程中元素的挥发损失行为,建立了元素挥发通量计算模型并进行验证,熔铸了成分稳定的TC4钛合金扁锭;研究了铸态TC4钛合金的热变形行为,分别建立了β单相区和α+β两相区的高温变形本构方程和该合金的热加工图。在铸坯轧制方面,研究了不同工艺下合金板材微观组织和力学性能的演变规律;对合金板材进行退火处理,研究了退火温度对显微组织及力学性能的影响。主要的研究结论如下:（1）EB炉熔炼TC4钛合金时,主要为Ti和Al的挥发损失,V的挥发可以忽略不计。熔炼全过程Ti的挥发和原料熔化阶段Al的挥发不受液相传质控制,挥发通量服从Langmuir方程;冷床熔炼和结晶器熔炼阶段Al的挥发受熔体流动影响明显,引入熔炼速度、冷床尺寸和结晶器截面尺寸因素,分别建立了冷床和结晶器中Al挥发的液相传质系数计算模型,验证实验的Al含量实测成分和计算结果基本吻合,表明所建挥发模型可靠。进而搭建了熔炼速度、原料初始Al含量和铸锭Al含量之间的对应关系,据此开展了原料配比为Ti-7.2Al-4V的EB炉熔铸试验,获得了尺寸为125cm×21cm×780cm的大规格TC4扁锭,其化学成分与2次VAR工艺相比,Al元素的波幅较高而V元素相当。（2）基于Arrhenius模型和Z参数,得到铸态TC4钛合金热变形激活能Q（α+β）=746.33k J/mol,Qβ=177.84k J/mol,建立了该合金的本构方程,预测值与实验值的平均相对误差为5.04%,所建立的模型能很好地描该合金的热变形行为。基于动态材料模型和Prasad失稳准则建立了铸态TC4钛合金的热加工图,得到该合金塑性危险区为850～960℃、应变速率0.01s-1～0.4s-1,850～1000℃、应变速率0.26s-1～10s-1,1050～1100℃、应变速率0.03s-1～1.0s-1,适宜的加工区为1050℃?1100℃、应变速率小于0.03s-1。（3）采用常规工艺和改进工艺对铸态TC4钛合金直接轧制,分三个火次制备厚度8mm的合金板材。改进工艺由于一火轧制温度（1065℃）升高,板面开裂情况较常规工艺（一火加热温度965℃）明显改善。两种工艺一火轧制半成品板材的显微组织具有较大差异,常规工艺最显著的变化为片层α的解体,改进工艺得到薄片层β转变组织。初生α相等轴化是两种工艺二火轧制后显微组织显著变化特征且等轴化程度接近,表明薄片层组织在Tβ下更容易破碎和球化;两种工艺三火轧制后组织均匀性进一步提高,其力学性能均满足GB/T 3621—2007《钛及钛合金板材》中对TC4钛合金的要求。（4）研究了退火温度对合金板材组织和性能的影响,结果表明:常规工艺三火轧制的合金板材初生α晶粒在780℃开始逐渐长大,次生α相随退火温度升高增厚变宽,退火温度在810℃及以上合金的强度和塑性指标下降,适宜的退火温度为750℃;改进工艺三火轧制的合金板材经750℃退火后α相形态变化不明显,800℃退火后α晶粒有合并趋势,850℃退火后α晶粒合并长大明显,经900℃退火后轧制态纤维状组织特征得以完全破坏,随着退火温度的提高,合金板材的晶粒取向集中程度和织构强度表现出一定程度的起伏,其室温强塑性最佳匹配为750℃退火后。
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