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与传统使用的航空航天飞行器结构材料如高强度钢、钛合金等相比,锆及锆合金因具有小的热中子吸收截面、优异的耐辐照耐蚀性能等特点而成为航空航天器活动构件的潜在结构材料。本文以T51Z(51.1Zr-40.2Ti-4.5Al-4.2V)合金为研究对象,通过X射线衍射(XRD)、背散射电子衍射(EBSD)等技术研究了不同热变形参数及热处理工艺对其微观组织演变和力学性能的影响,主要包括:针对铸态和β-淬火态T51Z合金,利用EBSD、OM和TEM分析了变形温度和应变速率对合金热变形行为的影响及其组织演变规律。结果显示铸态和β-淬火态T51Z合金在热变形时,其流变应力曲线都呈现典型的单峰动态再结晶特征。基于应力峰值得到了合金的本构方程及热变形激活能,同时也构建了合金的热加工图。变形温度和应变速率对合金形变组织影响较大,随着变形温度的升高和应变速率的降低,合金更易发生动态再结晶,但动态再结晶进行得不充分,再结晶晶粒分布不均匀。基于以上研究获得的热加工图和工艺参数,随后对T51Z合金进行锻造、热轧及退火等热处理和热成形加工,并系统分析了合金在不同加工态下的微观组织演变及性能变化。结果显示T51Z合金经过锻造后由破碎的β晶粒组成,晶界上分布着大量平行α板条,强度为1640MPa但延伸率仅为2.13%。锻态合金经过850°C/0.5h固溶水淬后由尺寸不均匀的等轴β晶粒组成,塑性较好,延伸率达到13.39%。T51Z合金经过热轧后,其RD-ND面中大部分晶粒明显沿着轧制方向被拉长,被破碎的晶粒不均匀分布在拉长的晶粒之间;RD-TD面没有明显的拉长状晶粒,其平均晶粒尺寸随着总轧制变形量的增加逐渐变小;ND-TD面沿着横向分布着很多拉长的晶粒,整体晶粒尺寸不均匀。不同热轧态的合金随着总轧制变形量的增大,强度从1308.69MPa增加到1468.83MPa,延伸率却从0.96%下降到0.42%。合金经过退火后,其微观组织都为等轴的β晶粒,且随着总轧制变形量的增加,一次热轧退火、二次热轧退火和终轧退火合金的平均晶粒尺寸越来越小,强度越来越高。终轧退火后的T51Z合金性能达到最佳,其屈服强度、抗拉强度和断后延伸率分别为823.53MPa、1110.10 MPa和8.20%,韧性断裂为热轧退火态合金的主要断裂机制。