全片层高Nb-TiAl合金显微组织热稳定性研究

发布时间：2018-11-02 17:36

【摘要】：高Nb-TiAl合金由于其优异的高温力学性能和较低的密度,在航空、航天以及汽车的高温端部件中显示了巨大的应用潜力,有望替代Ni基高温合金。经过近几十年的研究,高Nb-TiAl合金在成分设计、组织控制和制备加工等方面已经取得了一系列进展,但对合金在近服役条件下的显微组织热稳定性研究还比较欠缺,严重影响了该合金的进一步应用。基于此,本文围绕全片层高Nb-TiAl合金的显微组织热稳定性及其对力学性能的影响展开了研究,主要结论如下:(1)研究了全片层高Nb-TiAl合金700℃-1000℃热循环后显微组织变化规律。结果表明,长时热循环后合金片层团晶界将发生粗化,700℃和800℃下晶界组成相为γ和ω相,900℃和1000℃下晶界组成相为γ和B2相,说明该成分合金在此温度区间存在(α2+γ+B2/ω)三相区。片层团晶界的粗化是通过不断析出新的γ晶粒来实现的,取向差越接近的晶界,γ晶粒的析出受抑制,晶界不发生迁移,反之,片层团晶界迁移的驱动力越大。新析出的γ晶粒通常与片层团晶界一侧的γ片层取向一致;(2)揭示了Al偏析对全片层高Nb-TiAl合金热循环后显微组织稳定性的影响。结果表明,900℃热循环后,Al偏析处易产生片层组织的不连续粗化,1000℃下Al偏析处和片层团晶界及片层团内部均有大块γ晶粒的形成。γ晶粒内又有不同取向的α2颗粒沿{111}γ晶面析出,两相之间满足Blackburn共格位向关系。900℃和1000℃热循环后均没有B2相的析出;(3)研究了Nb含量对全片层TiAl合金热循环后显微组织稳定性的影响。结果表明,低Nb含量的TiAl合金长期热循环后,片层团晶界也发生了迁移粗化现象。然而,片层团晶界的组成相变为γ和α2相,没有发现B2相的存在。α2相呈颗粒状或片状,片状α2与γ存在{111}γ//{0001}α2,1120α2//110γ共格位向关系;(4)揭示了合金900℃和1000℃热循环后显微组织变化对力学性能的影响规律及影响机制。研究表明,室温抗拉强度和压缩屈服强度随温度和热循环次数的变化规律类似。900℃下,随着热循环次数的增加,呈现逐渐减小的规律,1000℃下,强度变化规律表现为先减小后增加。这种热循环引起的强度下降幅度并不大,长时热循环后强度仅下降约10%左右,比普通TiAl合金低得多。合金的室温断裂韧性随热循环次数的增加均呈现出先减小后增大的规律。热循环后室温塑性延伸率出现了大幅度下降,这是由"相变脆化"和"释氧脆化"共同导致。高温塑性延伸率随着热循环次数的增加而增大,这是因为高温下β相可以提供充足的滑移系;(5)研究了喷丸高Nb-TiAl合金900℃和1000℃下长时保温后显微组织变化规律。结果表明,长时保温后表层区域的显微组织明显分为两层,即靠近喷丸表面的FG层(等轴细晶粒层)和远离喷丸表面的CG层(粗晶粒层)。FG层主要由再结晶γ晶粒组成,CG层主要由不完全再结晶γ晶粒组成,前者驱动力来自于形变组织中的机械储存能,后者驱动力随着长时保温时间的延长逐渐由形变储存能转变为界面自由能。900℃长时保温后表层组织由γ、α2和B2相组成,而1000℃长时保温后B2相消失。喷丸合金长时保温下α2颗粒的重新析出并不是通过再结晶,其取向与原始片层组织中的α2片层保持一致;(6)对比研究了形变处理和热应力对合金显微组织热稳定性的影响。结果表明,热应力作用下,合金片层团晶界和晶内γ晶粒的生成不是再结晶行为。热压缩变形和喷丸作用后,合金长时保温过程中超过最小形变量阈值的片层组织均转变为再结晶γ晶粒。热应力作用下,α2片层仅发生溶解,而热压缩变形和喷丸作用后,合金长时保温过程中α2片层经历溶解、析出和长大三个过程,大部分α2颗粒沿再结晶γ晶粒的{111}面析出。此外,热压缩变形和喷丸作用后,1000℃长时长时保温将导致B2相的消失,Nb和W元素可以充分扩散。
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【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG146.23

【参考文献】