钛铝系合金热变形行为与扩散连接性能研究

发布时间：2018-02-04 03:53

  本文关键词： TiAl基合金 Ti_2AlNb基合金 高温成形 扩散连接 多层结构　出处：《哈尔滨工业大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：航空航天领域对零部件减轻重量、提高工作温度一直具有迫切需求,在满足性能要求的前提下选择轻质耐高温材料的轻量化结构成为发展的主要趋势。Ti-Al系金属间化合物由于其优异的综合性能,例如密度低(3.8-5.8g/mm3),熔点高,比强度高,材料的抗氧化和抗腐蚀性能优良,以及高温条件下的蠕变韧性好,这些性能使得Ti-Al系金属间化合物成为具有应用前景的轻质耐高温结构材料。常用的轻量化结构为多层结构,该结构通常采用成形+连接的组合技术。扩散连接不同于其他的连接方法,可以有效地避免连接过程中产生的焊接缺陷,实现Ti-Al系金属间化合物的良好连接。因而本文对使用温度650℃的Ti2AlNb基合金、750℃的TiAl基合金和850℃的高铌TiAl基合金的高温变形行为与扩散连接性能进行研究,并在此基础上成形了TiAl基合金三层波纹结构和Ti2AlNb基合金四层结构。本文首先对挤压态高铌TiAl基合金(Ti-45Al-8Nb,at.%)在相对较高应变速率(≥10-3s-1)下的热变形行为和组织变化进行了研究,分析了热变形参数对材料力学行为和微观组织的影响,建立了Ti-45Al-8Nb合金的本构方程。另外,对挤压态的普通TiAl基合金(Ti-47.5Al-Cr-V,at.%)在压缩条件下的高温变形行为进行了研究,建立了挤压态Ti-47.5Al-Cr-V合金的本构方程。基于动态材料模型和Prasad失稳判据,构建了不同真应变量下的热加工图,失稳区主要位于高应变速率区。结合不同变形参数下的微观组织,确定了挤压态Ti-47.5Al-Cr-V合金合适的热加工区间为1150-1200℃/0.001-0.03s-1,在该区间材料可发生充分的动态再结晶。通过扩散连接试验研究了Ti-47.5Al-Cr-V合金的扩散连接工艺,连接温度1000-1100℃,连接时间1-3h,连接压力10-30MPa。测试了不同连接参数条件下连接试样的室温剪切强度,观察并分析了不同参数下连接界面的微观组织。合适的连接参数是温度1050-1100℃,压力20-30MPa,时间2-3h。基于Ti-47.5Al-Cr-V合金的弯曲极限试验以及以Ti-45Al-8Nb合金高温拉伸塑性为参考,在1050℃进行了波纹芯板的热成形试验。随后在1050℃/30MPa/2h条件下进行了波纹芯板与面板的扩散连接,获得三层波纹构件,结构件最大压缩强度为15.7MPa。进行了Ti2AlNb基合金(Ti-22Al-27Nb,at.%)的超塑拉伸试验,在变形参数为970℃/3×10-4s-1时具有最大的延伸率236%,并建立了材料在970℃超塑成形时应力应变关系。基于该关系,进行了两种不同四层结构成形过程的有限元分析,对比成形过程的厚度分布,确定了蜂窝结构适合于具有低超塑性的Ti-22Al-27Nb合金的成形。在保持蜂窝结构芯板变形宽度不变的前提下,研究了扩散连接部位宽度对成形质量的影响,连接宽度越小越易在表面产生凹陷,确定了蜂窝结构的结构参数。对Ti-22Al-27Nb合金在950℃和970℃,连接压力10MPa和15MPa,连接时间1h、2h下的真空扩散连接性能进行了研究,根据获得的连接界面微观组织和接头剪切强度,选择970℃/10MPa/2h作为该合金扩散连接参数。在有限元分析和扩散连接试验基础上,进行了Ti2AlNb基合金四层蜂窝结构成形试验,成功制得了蜂窝结构件,并对结构件的微观组织和力学性能进行了研究。蜂窝结构件芯板与面板的实测厚度与有限元分析相应部位厚度基本一致;成形前、后,材料微观组织发生了明显的改变,α2相明显增多,造成成形后材料在室温和650-800℃下的抗拉强度和延伸率均有一定程度的降低,降低比例分别在14-30%和20-50%;蜂窝结构件的最大抗压强度约为7.7MPa,芯板弯曲和芯板扩散连接部位扭转为主要的变形方式。
[Abstract]:The thermal deformation behavior and microstructure of Ti2AlNb base alloy ( Ti - 47.5Al - Cr - V , at . % ) under high strain rate ( 鈮，

本文编号：1489241