Ti6Al4V合金不同热处理态下显微组织分析.doc

毕业设计(论文)开题报告

题目： Ti6Al4V合金不同热处理态下显微组织分析

2011年3月5日
1.毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）
1.1研究背景
1.1.1钛合金的发展
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，它是第四周期第四族中的过渡元素，钛的比重在20℃时为4.5g/cm3，介于铝（2.7g/cm3）和铁（7.6g/cm3）之间，但比强度高于铝和铁。经过适当的热处理后其强度可以达到1500MPa以上，这对于钢来说，在制作工艺上是非常难以达到的。正是由于钛及钛合金所具有的密度小、高比强度、耐高温、耐腐蚀、无磁、透声、抗冲击振动及生物相容性好等良好的综合性能，而在航空、航天、国防、民用、体育及生物医学等各个领域开辟了广阔的应用前景[1,2]。
自海绵钛工业化以来，钛在工业上的广泛应用推动了钛工业的迅速发展，钛的生产能力正在逐年提升，并将陆续超过铅、锌、铜成为名副其实的第三金属。世界上已探明的钛资源(以TiO2计)共有2418亿吨，具有经济开采价值的探明储量 (经济储量 )13182亿吨。然而，由于冶炼困难，必须使用氯气与惰性气体或者在真空中进行，海绵钛的生产国至今仍限于日本、美国、俄罗斯和中国[3]。
钛及钛合金的高速发展，是与航空和航天技术的发展以及本身所特有的优异性能是分不开的。如20世纪50～60年代，钛及钛合金的研究刚起步时主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金；70年代开发出一批耐蚀钛合金；80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构。
1.1.2钛合金的制备技术
钛合金材料的生产技术已达到较高水平，近年在技术量变上不断取得一定进展。在钛合金传统的熔炼、铸造和成型工艺技术基础上开发并应用了不少新工艺、新技术。
在熔炼方面，冷床炉熔炼技术已成功应用于工业化生产，能熔炼25t重的无偏析和夹杂铸锭。俄罗斯发展了一种类似于冷床炉的熔炼技术，即“凝壳—自耗电极熔炼”。此外，冷坩埚熔炼技术近来也有较大发展，与离心浇铸工艺结合用于钛铸件精密铸造，目前正在制造第二代冷坩埚熔炼炉。第二代冷坩埚炉可大大提高熔化能力，缩短熔炼时间，实现完全悬浮熔炼，消除金属凝壳。
我国已将研究感应凝壳熔炼技术列入重点研究项目，在钛合金的熔炼技术方面也取得了很大的发展。
在铸造方面：失蜡法铸造现称熔模精密铸造，是一种少切削或无切削的铸造工艺，应用广泛，适用于各种类型、各种合金的铸造，生产出的铸件尺寸精度、表面质量比其他铸造方法要高，复杂、耐高温、不易加工的铸件均可用熔模精密铸造。钛合金熔模精密铸造典型工艺有石墨熔模型壳，金属钨面层陶瓷型壳，氧化物陶瓷型壳，适于制造简单形状的钛铸件。
近年来，钛的铸造技术主要发展了冷坩埚+离子浇铸技术、真空吸铸技术和真空压铸技术。
冷坩埚+离心浇铸技术、真空吸铸和压铸技术已使产品质量进一步提高。冷坩埚感应熔炼后进行离心浇铸生产钛合金铸件，可以节省原材料、降低预热成本、并提高铸件精度、消除缩孔和疏松。
真空吸铸法是将悬浮熔炼技术和真空吸铸技术结合在一起的精密铸造方法。该方法铸造速度快，无滞流及气泡卷入等现象产生，该技术广泛用于高尔夫球杆头等薄壁型产品生产，真空压铸法采用金属模取代陶瓷模后，产品质量较好，成本降低[4,5,6]。
1.1.3钛合金的应用
钛及其合金以其优异的综合性能不仅大量应用在航空、航天工业，而且在化工、石油、冶金、造纸、纺织，机械仪器、能源、医疗卫生等工业中也有着十分重要的应用。
（1）航空航天业
目前，钛及其合金主要用于航空航天和军事工业。航天器主要利用钛合金的高比强度，耐腐蚀和耐低温性能来制造各种压力容器、燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架和火箭壳体。近年来，美国为了继续保持它的空中优势，正在发展下一代先进飞机，如 X-30、X-31等，将把现有发动机的推力比增加 1倍以上。这些飞机的发展自然离不开钛，钛的用量将占飞机结构重量的 20%～30%，同时，这些发展计划也推动了一些新合金如TixAly以及 Ti基复合材料的发展和应用。作为美国竞争对手的俄罗斯也一直注重航空航天业钛材的使用量。其航空工业主要使用4种钛合金:板材用合金、锻件、紧固件用合金以及铸造合金。在其军事用途包括用于导弹、航海、精密机械等领域。
（2）船舶行业
钛合金在海洋条件下有着极其优良的耐腐蚀性能、高的比强度、无磁等特点，因而被应用于船舶工业。目前，钛在舰船上已应用的部位有船体结构、耐压壳体、螺旋桨和桨轴、通海管路、阀及附件、各类管接头、动力驱动装置、热交换器、声学装置零部件、系泊装置等。
（3）化工、汽车及能源等工业的应用
化工、冶金、造纸、制碱、石油、和农药工业是使用钛合金的最早行业，也是除航空航天工业以外钛铸件使用量最大的部门。在这些部门中使用的钛铸件主要是耐蚀泵、阀门、叶轮，它们大部分是在腐蚀性很强的液体介质中运转。
（4）日常生活领域中的应用
钛合金在运动器材上，如自行车、摩托艇、网球拍和马具上都获得了应用，但应用得最广泛的就是钛合金精铸高尔夫球头。钛及钛合金具有很好的生物相容性和耐蚀性而被广泛应用于医疗器械和人工器官[7]。
1.1.4 Ti6Al4V合金的研究现状
第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti6Al4V高温钛合金，其使用温度300～350℃。Ti6Al4V合金是等轴马氏体型两相合金，由于它的耐热性、强度、塑性、成型性、可焊性、耐蚀性、和生物相容性均较好，而成为钛合金中的王牌金属。该合金是目前用量最大的钛合金，约占世界全部钛合金加工件的75%～85%，其他许多钛合金都可以看成是Ti6Al4V合金的改型。该合金广泛用于航空构件、汽车、能源、舰船、化工、医疗器械及体育用品等所有应用领域中，在航空业中Ti6Al4V合金用作重要的零部件，从隔板、机翼、机架到压气机盘、发动机、叶片、气瓶。例如Ti6Al4V 在美国 F22“猛禽”战斗机总重中占36%。对Ti6Al4V零部件进行设计并改进热加工工艺有助于大大降低成本，所以如何提高Ti6Al4V合金的综合性能一直是世界各国关注的热点[8]。
这种合金可以通过调整显微组织来获得更高的强度, 因此不少学者在试图通过热处理改变显微组织以达到改变其机械性能方面开展了许多研究工作。钛合金具有比强度高和耐腐蚀好等特点, 但较差的摩擦学特性却限制了其作为摩擦副结构材料的应用范围[9,10,11]。
日本住友金属公司研制成一种耐磨损钛合金,其耐磨性与 W-Cr-Co合金相当。 这种钛合金是通过向Ti6Al4V合金中添加W2C使TiC均匀弥散于β相基体中而制成的。现已用于制作切削刀具和其它机械部件，可大大延长使用寿命[12]。
Ti6Al4V是典型的α+β型合金，其组织形态和晶粒大小都强烈依赖于铸造、锻造、热处理等热加工过程。无论是在普通退火态或淬火时效态下使用，合金的性能都由不同尺寸、形态、数量及组合方式的α与β相的平衡关系所决定。即使显微组织类型一致，宏观晶粒度的差异也会造成合金性能的较大差别。所以采用适当的工艺方法来控制其组织形态、结构和晶粒大小，改善材料的表面工艺性能，对于充分发挥该合金的性能潜力，进一步提高其综合性能、扩大其使用范围都具有特别重要的意义。
2.本课题研究的技术路线及主要内容
2.1研究的技术路线
不同热处理对Ti6Al4V合金显微组织的影响

时金
效组
温织
度的
对影
合响

固金
溶组
温织
度的
对影
合响

连
扎组
原织
始结
态构
合
金

β及
相时
区效
固处
溶理

两溶
相及
区时
亚效
温处
固理

2.2研究的主要内容
Ti6Al4V合金是典型的α+β型合金。对于此类钛合金，通过固溶时效得到细晶粒α+β结构，初生α相的比例相对较高。这样可以得到很好的热疲劳性能。
钛合金通过调整热处理工艺可以获得不同的相组成和组织。一般认为细小等轴组织具有较好的塑性、热稳定性和疲劳强度；针状组织具有较高的持久强度、蠕变强度和断裂韧性；等轴和针状混合组织具有较好的综合性能。
2.2.1.热处理对Ti6Al4V合金组织结构的影响[13，14,15] ：

表2.1 Ti6Al4V合金的热处理实验参数
试样
固溶温度
固溶时间
冷却方式
时效温度
时效时间
冷却方式
1
2
3
4
5
6
7
8
9
940℃
960℃
980℃
1000℃
1020℃
1000℃
1020℃
1040℃
1000℃
25min
25min
25min
45min
45min
45min
45min
45min
45min
水
水
水
水
水
水
水
水
水
480℃
480℃
480℃
480℃
480℃
480℃
480℃
480℃
750℃
24h
24h
24h
3h
3h
24h
24h
24h
24h
炉冷
炉冷
炉冷
炉冷
炉冷
炉冷
炉冷
炉冷
炉冷
Ti6Al4V合金为典型的α+β型合金，Ti6Al4V合金发生β相转变的温度约为990℃，在低于或高于β相变温度固溶处理，合金可得到等轴α+β相或网篮组织结构。为了研究热处理工艺对合金组织结构性能的影响，制定出Ti6Al4V合金的热处理工艺参数如表2.1所示。热处理工艺流程：固溶→时效。
3.本课题研究的重点及难点，前期已开展工作
3.1研究重点：
本实验的研究重点在通过不同的热处理实验，对比分析Ti-6Al-4V合金不同的热处理态下的显微组织，了解此类钛合金的增强机理。通过适当的工艺方法来控制其组织形态、结构和晶粒大小，充分发挥该合金的性能潜力，进一步提高其综合性能、扩大其使用范围。
3.1.1存在的主要问题及解决方法
（1）钛合金的硬度大于HB350时切削加工特别困难，小于HB300时则容易出现粘刀现象，也难于切削。但钛合金的硬度只是难于切削加工的一个方面，关键在于钛合金本身化学、物理、力学性能间的综合对其切削加工性的影响。采用金刚石和立方氮化硼作刀具切削钛合金，可取得显著效果。
（2）金相试样制备时，对于观察不同的显微组织，要根据具体情况配置不同的腐蚀液。
研磨 采用水或油润湿金相砂纸，从粗到细研磨。
抛光 抛光时一般采用机械化学抛光。先用金刚石研磨膏粗抛光，再用氧化铝抛光剂精抛光，然后把样品浸渍于HF(1ml)+ H2O (10～20ml) 溶液中数秒，再用上述氧化铝抛光剂完成最终精抛光，可反复多次。
把HF(1ml)+ H2O(10～20ml)溶液缓慢滴入旋转的磨盘中，同时用氧化铝抛光剂完成精抛光。
先用棉球蘸化学抛光液(HF ∶HNO3∶乳酸= 1∶1∶3) 擦拭几秒，再在只加水或稍加氧化铝抛光剂的磨盘中将试样抛光成有光泽的镜面。
化学侵蚀
试剂配方: ① HF(1ml)+HNO3(12ml)+H2O(50～60ml)混合液；②HF(2ml) + HNO3(2ml)+甘油(6ml)混合液[16]，现配现用。将上述抛光好的样品，置于①或②侵蚀剂中侵蚀，能得到层次鲜明的晶界与氢化物小片。
钛合金金相分析的主要程序: 试样磨制→化学抛光兼擦蚀→清洁干燥→复膜→金相观察与照相[17，18]。
4.完成本课题的工作方案及进度计划
前期已开展的工作
1查阅相关资料，为实验的顺利开展提供牢固的理论基础。
2实验器材、设备等的准备。
3完成本课题的工作方案及进度计划：
第1-3周： 查阅相关资料，写文献综述，并准备课题报告；
第4-9周： 按具体实验方案开始进行实验；
第10-15周：对实验数据进行总结和分析得出实验结论；
第16-17周：撰写毕业设计论文，准备答辩。

参考文献
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