【摘 要】
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Ti2AlNb合金具有低密度、高比强度、耐腐蚀、兼具优异的室温和高温力学性能等特点,是高速飞行器的理想结构材料。高速飞行器飞行速度超过5马赫,飞行器尖端、翼板、进气道、喷管等薄壁构件服役温度通常在650°C。旋压成形工艺生产周期短,制件精度高,综合力学性能优良,是薄壁回转体构件的首选成形工艺。但是,Ti2AlNb合金属于多相合金,显微组织对加工工艺敏感,且不同的相含量、组织状态都将直接影响旋压件的
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Ti2AlNb合金具有低密度、高比强度、耐腐蚀、兼具优异的室温和高温力学性能等特点,是高速飞行器的理想结构材料。高速飞行器飞行速度超过5马赫,飞行器尖端、翼板、进气道、喷管等薄壁构件服役温度通常在650°C。旋压成形工艺生产周期短,制件精度高,综合力学性能优良,是薄壁回转体构件的首选成形工艺。但是,Ti2AlNb合金属于多相合金,显微组织对加工工艺敏感,且不同的相含量、组织状态都将直接影响旋压件的服役性能,为此亟需对Ti2AlNb合金旋压工艺以及旋压过程组织性能演化规律开展深入研究。采用室温包套压缩及900°C/2h热处理实验,研究了Ti2AlNb合金在三向压应力情况下的显微组织演化规律,以及压缩变形量对Ti2AlNb合金形变热处理组织和力学性能的影响。阐述了B2相和α2相在三向压应力下的变形行为,研究了晶粒尺寸与施密特因子对形变热处理Ti2AlNb合金力学性能的影响规律,为Ti2AlNb合金强力旋压组织及力学性能调控提供了参考依据。通过在900～1100°C开展高温压缩实验,分析了退火态Ti2AlNb合金和固溶态Ti2AlNb的高温变形行为。基于Prasad失稳准则,建立了退火态Ti2AlNb合金和固溶态Ti2AlNb合金热加工图,找到了适合旋压的热加工窗口。对比分析了退火态Ti2AlNb合金和固溶态Ti2AlNb的热旋压加工性能,表明退火态Ti2AlNb合金更适于进行热旋压加工。采用热轧退火态Ti2AlNb合金板坯开展了锥形件多道次热旋压实验,通过两道次剪切旋压,总减薄率达到75.8%,制造出了半锥角12°、壁厚仅为1.45mm的质量良好锥形件。经过第一、二道次旋压后,旋压件的微观组织主要由B2+残存α2相构成,B2相织构由来料时的＜111＞B2//ND织构变为了＜001＞B2//ND织构。第一、二道次旋压件在650oC时的抗拉强度分别提高至了1163MPa和932MPa,高于原始坯料的782MPa。B2相{110}＜111＞B2和{112}＜111＞B2滑移系在室温下不易发生交滑移,但在650oC及以上时易被激活,因此旋压件出现了屈服应力异常现象。采用960°C/2h+850°C/12h的道次间热处理制度,使得旋压组织呈B2+初生O+次生O+球状α2相,有助于提高后续道次Ti2AlNb合金坯料的可旋性,避免旋压开裂。采用960°C/2h的热处理制度,可使得锥形旋压件在室温和650°C下获得最佳的综合力学性能,可作为Ti2AlNb合金剪切旋压件服役前的热处理工艺。采用热压弯曲焊接的Ti2AlNb合金筒坯,通过随动涡流在线加热装置精确控温,开展了多道次热强旋实验,成功制备出了总减薄率达73.1%、壁厚1.61mm的质量良好的筒形件。当旋压减薄率增加至20%～49%时,B2相沿轴向逐渐呈现出拉伸形态,＜111＞B2//ND织构逐渐弱化,＜001＞B2//ND织构逐渐形成。当旋压减薄率达到49%～74%时,B2相发生了动态再结晶,导致＜001＞B2//ND织构弱化。当旋压减薄率达到74%时,＜111＞B2//ND织构与＜001＞B2//ND织构共存。经过六道次旋压后,母材区内B2相晶粒尺寸从原始坯料的2.7μm细化到了0.4μm,焊缝熔合区的B2晶粒尺寸从原始坯料的10.8μm细化到了0.6μm;焊缝熔合区到母材区之间的硬度最大值与最小值差值△HV从122下降到了32,焊缝熔合区到母材区的组织性能均匀性明显提升。由于细晶强化作用,Ti2AlNb合金薄壁筒形件母材区的轴向抗拉强度由1206MPa提升至了1245MPa,环向抗拉强度由1010MPa提升至了1299MPa。表明采用热成形卷焊Ti2AlNb合金厚壁筒坯经过多道次热旋压制造高性能Ti2AlNb合金薄壁筒形件是一种高效低成本的工艺方法。
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