基于脉冲电流处理技术的α+β型钛合金三态组织短流程制备.pdfVIP

摘要

基于脉冲电流处理技术的α+β型钛合金三态组织短流程制

备

摘要

钛合金因其高强度、高塑性、优异的抗疲劳性能和良好的生物相容性，被广

泛用于航空航天和生物医学领域。在α和α+β型钛合金的典型微观结构中，三

态组织结合了等轴组织和网篮组织的优点，除了具有良好的强度和塑性外，还拥

有优异的抗蠕变性能和抗疲劳性能，从而在高温和交变应力的工况下仍能具有良

好的服役寿命。现有工艺通过使用增材制造或高温变形和多步热处理才能制备出

三态组织，但需要较高的能源消耗和复杂且耗时的工艺流程。因此，三态组织的

快速制备仍然是一个亟待解决的问题。本论文采用脉冲电流+热处理的组合工艺，

通过在Ti-6Al-4V合金中诱导片层晶粒快速球化，实现了三态组织的短流程制备。

通过微观组织表征和力学性能检测，探究了工艺参数对三态组织形成过程及其对

材料力学性能的影响规律，揭示了片层晶粒快速球化的机制。本文的主要研究结

果如下：

(1)Ti-6Al-4V合金经脉冲电流处理后形成了一种具有部分低长径比马氏体

的全马氏体组织，这种组织仅需一步两相区（950℃）热处理就能制备出具有球

状晶粒、片层晶粒和马氏体的三态组织。

(2)脉冲电流处理的快速升温过程限制了高温β晶粒的长大，从而影响了马

氏体的形态，并且元素扩散的不充分导致材料中出现了部分富铝贫钒的低长径比

马氏体。这类马氏体在两相区加热不会相变，而是发生球化和晶粒长大。

(3)脉冲电流处理参数对晶粒的球化过程有重要影响。随着脉冲电流参数的

增加，高温β晶粒尺寸逐渐增大，元素扩散更加均匀，这会导致淬火后马氏体的

长径比增加，从而使两相区热处理后样品的球状晶粒比例减少，材料的塑性和加

72

工硬化率相应降低。优化参数的工艺过程（7.23×10A/m-400ms+950℃-2h）使

材料获得了最优的强度-塑性的结合（抗拉强度（σ）1110MPa，延伸率（δ）

b

~22%)。

I

吉林大学硕士论文

(4)晶粒球化发生在脉冲电流处理后的热处理过程，随着保温时间的增加，

材料内部的球状晶粒比例和元素浓度梯度会呈现出不断增加的趋势。在950℃下

保温1h以内球状晶粒比例增加，这是由于低长径比晶粒不断球化所导致，球化

过程遵循圆柱化机制；而保温时间超过1h后样品球化区域比例的增加源于球状

晶粒的长大，晶粒的长大过程遵循Ostwald机制。元素配分的程度随着加热时间

的增加而增加，这会导致α相与马氏体之间的硬度差增大，进而增加合金的加工

硬化率。

关键词：

Ti-6Al-4V合金，脉冲电流处理，球化机理，组织演变

II

Abstract

AShortenedprocessofα+βtitaniumalloytogeneratetrimodal

microstructurebasedonelectropulsingtreatmenttechnology

Abstract

Duetohighstrength,goodplasticity,excellentfatiguestrength,andsuperior

biocompatibility,titaniumalloysarewidelyusedinaerospaceandbiomedicine.

Amongthetypicalmicrostructureoftitaniumal