V-4Cr-4Ti合金的制备及组织结构研究

论文摘要

本文以V-4Cr-4Ti合金为对象,探索了合金的真空电弧熔炼（VAR）工艺,并利用OM（optical microscopy）,XRD（X-ray diffraction）,SEM（sacnning electron microscopy）,TEM（transmission electron microscopy）和XPS（X-ray photoelectron spectrum）等方法分析了合金在铸态及高温退火后的组织结构,维氏硬度（Hv）和表面氧化行为。主要研究结果如下:采用“金属粉末原料→混料→压制电极→焊接自耗电极→真空电弧熔炼”的工艺路线,成功地制备了名义成分为V-4Cr-4Ti合金铸锭（～400 g）,铸锭实际成分为V-3.8Cr-3.6Ti,杂质C,O,N的含量较高;晶粒呈等轴形态,尺寸从10μm～500μm不等;铸锭平均维氏硬度(Hv0.2)达282.8。工艺改进后的第二种合金（～900 g）的实际成分为V-3.7Cr-3.6Ti,杂质O,N含量明显降低;合金晶粒由等轴晶和柱状晶组成,尺寸仍不均匀;铸锭维氏硬度为217.3。两种合金均为多相组织,含有较多的第二相,位错等。普遍存在的第二相是富Ti,并含有V,Cr,Zr及C,N,O的复杂型的Ti-（CNO）相,FCC结构,晶格常数0.423 nm～0.428 nm。在晶粒内呈“片状”形貌排列,厚100nm～150 nm,长和宽达1μm～3μm;而在晶界上呈现连续的网状分布。杂质含量较高的第一种合金中还有粒径10 nm～40 nm的球形相。将V-3.7Cr-3.6Ti合金在1×10-2Pa条件下,分别在1000℃、1100℃、1400℃退火1hr和1200℃、1300℃退火1hr和3hr。随退火温度的升高和时间的延长,晶界氧化程度增加但晶粒尺寸变化不明显。合金中有新的纳米相（30 nm～50 nm和5 m～10 nm）和更细小的片状相生成,而初始的Ti-（CNO）相尺寸有粗化的趋势。钒固溶体晶格常数随温度升高而逐渐降低,而硬度的变化与微观组织密切相关。合金退火后位错密度降低,层错数量明显增加并可见退火孪晶形成。随退火温度的升高,合金的弯曲断裂方式从明显的脆性断裂逐步过渡到脆性+韧性断裂。利用XPS研究了V-3.7Cr-3.6Ti合金在1100℃/1hr和1300℃/1hr、1×10-2Pa条件下退火后,样品表面的氧化物形态。结果表明在两种退火参数下表面均会形成明显的、非常薄的氧化层,氧化层的厚度及组成并不相同,但其结构随深度方向的变化规律相似:由最外层的V、Ti的高价氧化物逐步过渡到内层的低价氧化物、碳化物和氮化物的混合物。在整个氧化层内Cr贫瘠,Ti向表面偏聚,合金以外氧化为主。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 钒及钒合金的基本性质
• 1.1.1 纯钒的基本性质
• 1.1.2 钒合金的基本性质
• 1.2 V-4Cr-4Ti合金的制各及其铸态组织
• 1.2.1 真空自耗电极电弧熔炼
• 1.2.2 磁悬浮熔炼
• 1.2.3 电子束熔炼
• 1.2.4 铸锭中的第二相
• 1.3 热处理后的组织结构
• 1.3.1 晶粒组织
• 1.3.2 热处理后的第二相
• 1.4 合金的力学性能
• 1.4.1 拉伸性能
• 1.4.2 硬度
• 1.5 本章小结
• 第二章 实验原理和方法
• 2.1 仪器及装置
• 2.1.1 实验装置
• 2.1.2 分析仪器
• 2.2 实验及测试原理
• 2.2.1 真空自耗电弧熔炼原理
• 2.2.2 TEM分析原理
• 2.2.3 XRD分析原理
• 2.2.4 XPS分析原理
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 合金熔炼
• 2.3.2 合金高温退火
• 2.3.3 化学成分分析
• 2.3.4 组织结构分析
• 2.3.4.1 铸态样品
• 2.3.4.2 退火态样品
• 第三章 V-4Cr-4Ti合金的真空自耗电弧熔炼及铸态组织
• 3.1 合金的VAR初探
• 3.1.1 合金制备
• 3.1.2 铸锭质量
• 3.1.3 组织结构观察
• 3.1.3.1 OM与SEM分析
• 3.1.3.2 TEM分析
• 3.1.3.3 XRD分析
• 3.1.4 小结
• 3.2 工艺改进后合金的制备
• 3.2.1 合金制备及质量
• 3.2.2 组织结构
• 3.2.2.1 OM分析
• 3.2.2.2 TEM分析
• 3.2.2.3 XRD分析
• 3.3 分析与讨论
• 3.3.1 铸锭中的第二相
• 3.3.2 热力学分析
• 3.3.3 相变机制探讨
• 3.4 本章小结
• 第四章 退火对V-4Cr-4Ti合金组织结构的影响
• 4.1 退火温度对组织结构的影响
• 4.1.1 OM分析
• 4.1.2 SEM分析
• 4.1.3 TEM分析
• 4.1.4 XRD分析
• 4.1.5 硬度测试
• 4.2 退火时间对组织结构的影响
• 4.2.1 OM分析
• 4.2.2 TEM分析
• 4.2.3 XRD分析
• 4.2.4 硬度测试
• 4.3 退火温度对合金三点弯曲断裂行为的影响
• 4.4 分析与讨论
• 4.5 本章小结
• 第五章 钒合金高温退火后表面氧化物的XPS分析
• 引言
• 5.1 合金氧化表面的外观
• 5.2 合金在1100℃/1hr退火后的表面氧化物
• 5.2.1 表面全谱
• 5.2.2 原始表面各元素的高分辨谱
• 5.2.2.1 Ti 2p和Cr 2p
• 5.2.2.2 O 1s和V 2p
• 5.2.3 钒合金表层结构的深度剖析
• 5.2.3.1 Ti 2p和Cr 2p
• 5.2.3.2 O 1s和V 2p
• 5.2.4 各元素含量随溅射深度的变化
• 5.2.4.1 各元素的原子百分比随深度的变化
• 5.2.4.2 钒氧化价态随深度的变化
• 5.3 合金在1300℃/1hr退火后的表面氧化物
• 5.3.1 O 1s和V 2p
• 5.3.2 Ti 2p和Cr 2p
• 5.3.3 各元素含量随溅射深度的变化
• 5.4 分析与讨论
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文总结及展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录