Beta-gamma TiAl合金成分设计及高温变形行为研究

发布时间：2017-08-21 22:19

  本文关键词：Beta-gamma TiAl合金成分设计及高温变形行为研究

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【摘要】：Ti Al合金具有密度低、强度高、抗蠕变性能和抗氧化性能好等优点,是替代航空航天发动机中Ni基高温合金的备选材料之一。但较差的热塑性和本征脆性始终制约着Ti Al合金的发展。热机械处理是细化合金显微组织、提高合金性能的有效手段。因此,具有优异热塑性成形能力的beta-gamma Ti Al合金成为研究的热点。本文针对beta-gamma Ti Al合金的成分设计、组成相硬度、高温变形行为以及约束锻造等方面开展了相关研究。研究了β相稳定元素对Ti Al合金中室温β0相和高温β相的影响。提出了室温Mo当量公式,并建立了“合金成分-室温Mo当量-β0相含量”的关系。利用室温Mo当量能够估算Ti Al合金中β0相的含量。当室温Mo当量达到1,合金中开始析出β0相。铸造Ti Al合金的室温Mo当量应低于1,以避免合金中出现β0相。提出了高温Mo当量公式,并建立了“合金成分-高温Mo当量-β相含量-热塑性”的关系。利用高温Mo当量能有效评价Ti Al合金的热塑性。当高温Mo当量大于1.5,合金的热压缩峰值应力应低于100MPa,合金在1200℃/0.01s-1条件下能够具有优异的热塑性。两种Mo当量为beta-gamma Ti Al合金的成分设计提供了依据。研究了不同β相稳定元素对Ti Al合金组成相硬度的影响。纳米压痕测试表明,对同一种合金,组成相的硬度从大到小依次为:β0γ/α2γ。不同元素对γ相和γ/α2片层的硬度影响较小,对β0相的硬度影响较大。Cr、Mn和V引入的β0相硬度较低;Nb、Mo和W引入的β0相硬度较高。通过合金化降低β0相的硬度,能够提高β0相自身的变形能力,并改善组成相之间的协调变形,有利于提高合金的力学性能。根据beta-gamma Ti Al合金成分设计的研究,设计了Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金。利用等温热压缩实验,研究了该合金的铸锭在1100℃-1225℃/0.01s-1-0.5s-1条件下的高温变形行为。结果表明Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金具有优异的高温变形能力。利用Arrhenius公式计算出铸态合金的变形激活能为377KJ/mol。合金的组织演变与温度和应变速率密切相关。在低温和高应变速率的条件下,合金主要发生片层的弯曲和粗化;随着温度的升高和应变速率的降低,合金逐渐发生动态再结晶,粗大的片层组织转化为细小的γ晶粒。研究了包套对Ti Al合金高温变形的影响,发现不锈钢包套能有效约束Ti Al合金的变形,避免合金在热变形过程中发生开裂。构建了Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金的热加工图。结合热加工图、组织观察和实际锻造条件,提出Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金的实际包套锻造温度为1200℃,应变速率为0.05s-1。研究了Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金的片层在高温变形过程中的演变。在1200℃/0.01s-1条件下,当变形量达到60%,硬取向的粗大片层能够发生较为完全的破坏。在β0→β无序转变温度以下,裂纹易出现在β0相附近。在高温大变形的作用下,γ片层会通过相界弓出促进片层分解,同时合金中的α2相和γ相发生分解。随着变形量的增加,合金中会产生大量位错。在位错密度集中的区域,合金会发生动态再结晶。动态再结晶是片层分解的主要机制。在位错密度较低的区域,会形成大量亚晶界,也有助于片层分解。采用一步近等温包套锻造制备了大变形量的Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金锻坯。边缘的变形量达80%,芯部的变形量达90%。合金经锻造后发生了较为完全的动态再结晶。锻态组织由等轴γ相、少量β0相和α2相组成。锻坯具有良好的组织均匀性。锻坯的芯部和边缘均由细小的等轴晶粒组成。合金的拉伸性能经锻造后得到显著改善。锻态合金的室温拉伸强度提高至657MPa,延伸率提高至0.86%。锻态合金的拉伸性能还与温度密切相关。当温度为650℃时,合金的拉伸强度和延伸率分别为549MPa和3.6%。当温度提高到700℃,合金的拉伸强度为496MPa,延伸率增加至10%。当温度进一步升高至750℃,合金的延伸率急剧增加至42%,拉伸强度仍在400MPa以上。研究了锻态合金不同组织的热处理工艺及其对拉伸性能的影响。经1320℃/10min/FC热处理可获得片层晶团尺寸小于200μm的全片层组织。经1250℃/4h/FC热处理可获得等轴γ晶粒和细小片层晶团均匀分布的双态组织。其中具有双态组织的Ti Al合金的室温延伸率可达1%。
【关键词】：Ti Al合金 成分设计 硬度 高温变形 组织演变
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V231;V252.2
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第1章 绪论15-40
• 1.1 研究背景15-17
• 1.2 Ti Al合金的研究现状17-28
• 1.2.1 Ti Al合金的相组成及典型组织17-21
• 1.2.2 Ti Al合金的合金化21-26
• 1.2.3 Beta-gamma Ti Al合金的研究现状26-28
• 1.3 Ti Al合金的热机械处理28-34
• 1.3.1 Ti Al合金的热加工技术28-31
• 1.3.2 本构关系31-32
• 1.3.3 热加工图及其应用32-34
• 1.4 Ti Al合金的机械性能34-35
• 1.5 当量法在合金设计中的应用35-38
• 1.6 课题的意义及主要研究内容38-40
• 第2章 实验材料及方法40-44
• 2.1 Ti Al合金的制备40-41
• 2.1.1 实验材料40
• 2.1.2 Ti Al合金铸锭的制备40-41
• 2.1.3 具有一定片层取向的Ti Al合金的制备41
• 2.1.4 Ti Al合金的约束锻造41
• 2.2 实验方法41-44
• 2.2.1 显微组织观察41-42
• 2.2.2 X射线衍射分析42
• 2.2.3 X射线荧光光谱分析42-43
• 2.2.4 热物理模拟43
• 2.2.5 纳米硬度测试43
• 2.2.6 拉伸性能测试43-44
• 第3章 β 相稳定元素对Ti Al合金相组成及热塑性的影响44-73
• 3.1 引言44
• 3.2 Beta-gamma Ti Al合金铸锭的成分选择44-47
• 3.3 β 相稳定元素对Ti Al合金室温组织的影响47-54
• 3.3.1 单一 β 相稳定元素对室温 β0相含量的影响48-50
• 3.3.2 不同 β 相稳定元素对室温 β0相含量的协同作用50-52
• 3.3.3 室温Mo当量在Ti Al合金成分设计中的应用52-54
• 3.4 β 相稳定元素对Ti Al合金高温组织及热塑性的影响54-65
• 3.4.1 β 相稳定元素对高温 β 相含量的影响54-59
• 3.4.2 高温Mo当量在高热塑性Ti Al合金成分设计中的应用59-65
• 3.5 不同 β 相稳定元素对Ti Al合金组成相硬度的影响65-67
• 3.6 不同组织细化元素的细化效果对比67-71
• 3.7 本章小结71-73
• 第4章 Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金的铸态组织与性能73-86
• 4.1 引言73
• 4.2 Ti-Al-Cr-Mn系合金的成分设计73-77
• 4.3 Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金铸锭的熔炼及组织性能77-81
• 4.3.1 Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金的熔炼及铸态组织77-80
• 4.3.2 铸态Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金的拉伸性能80-81
• 4.4 具有一定片层取向的Ti Al合金的显微组织81-85
• 4.5 本章小结85-86
• 第5章 Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金的高温变形行为86-114
• 5.1 引言86
• 5.2 Ti Al合金热压缩试样的制备86-87
• 5.3 Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金铸锭的热模拟及加工工艺优化87-103
• 5.3.1 真应力-真应变曲线87-89
• 5.3.2 热变形的本构关系89-92
• 5.3.3 热加工图及热加工工艺优化92-94
• 5.3.4 包套对Ti Al合金高温变形的影响94-96
• 5.3.5 温度和应变速率对合金组织的影响96-101
• 5.3.6 热变形过程中的动态再结晶行为101-103
• 5.4 变形量对Ti Al合金组织演变的影响103-110
• 5.4.1 变形量对片层组织分解的影响103-105
• 5.4.2 Ti Al合金的片层粗化105-107
• 5.4.3 Ti Al合金的片层分解107-109
• 5.4.4 Ti Al合金中 β0相的形态与分布109-110
• 5.5 片层取向对Ti Al合金热压缩性能的影响110-112
• 5.6 本章小结112-114
• 第6章 Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金的约束锻造及组织性能114-135
• 6.1 引言114
• 6.2 Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金的约束锻造114-122
• 6.2.1 约束锻造工艺114-116
• 6.2.2 锻坯的显微组织分析116-121
• 6.2.3 组成相的硬度分析121-122
• 6.3 锻态Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金不同组织的热处理工艺122-126
• 6.3.1 全片层组织的热处理工艺122-124
• 6.3.2 双态组织的热处理工艺124-126
• 6.4 Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金的力学性能126-131
• 6.4.1 锻态合金的室温和高温拉伸性能126-129
• 6.4.2 不同组织状态对合金室温和高温拉伸性能的影响129-131
• 6.5 不同beta-gamma Ti Al合金的高温变形行为对比131-134
• 6.6 本章小结134-135
• 结论135-137
• 参考文献137-152
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果152-154
• 致谢154-155
• 个人简历155

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