高Nb-TiAl合金中有序ω相析出规律及蠕变显微组织研究

发布时间：2020-06-27 00:27

【摘要】：相比于普通TiAl合金,高Nb-TiAl合金以其优异的高温强度、高温抗氧化性和蠕变性能,已经成为一种极具潜力并可应用到航空航天等领域的先进轻质高温结构材料。最近的研究发现,高Nb-TiAl合金中的高温β相可经有序化转变而生成β。相,而在合金的使用温度范围内,β。相可转变为ωo相。ωo相为六方结构,滑移系少、硬度高而难以变形;与此同时,ωo相还具有较高的Nb元素含量且扩散速率小。因而ωo相的形貌、体积分数和分布状态都将极大地影响高Nb-TiAl合金的力学性能。近年来已有大量研究关注于高Nb-TiAl合金铸态组织和热处理组织中的ωo相相变规律及其显微组织形貌,证明了其在700-900℃之间是平衡相。然而,有关ωo相单相区的相变规律以及退火温度和退火时间对β。相相变分解、ωo相和D88-ω相析出长大的影响还少有报道。另一方面,ωo相对合金力学性能的影响也正逐步成为高Nb-TiAl合金中的研究热点,引起了人们的广泛关注。本文主要研究了ωo相名义成分附近的相变规律,高Nb-TiAl合金退火过程中β。相的分解机制以及蠕变过程中的织构演化、ωo相的显微组织演变及其对蠕变性能的影响,主要结论和创新点如下:(1)揭示了ωo相名义成分附近的相变规律。结果表明,ωo相名义成分Ti-37.5Al-12.5Nb(除特殊标注外均为原子分数)合金中,ωo相可在马氏体α2片的界面上形核析出,α2片的惯习面为β相的{334}晶面且其内部存在大量层错。ωo相形成后,相邻β。相中因为贫Nb而不再析出ωo相。900℃保温时,γ相可在ωo变体的晶界上形核并长大或是借助α2片内的层错形核长大;而在Ti-34Al-13Nb合金中,A1含量的降低抑制了马氏体相变的发生,900℃保温时,β。相近乎完全转变为ωo相,随着保温时间的延长,α2相可在ωo相的晶界处析出并形成不同的变体。(2)研究了退火过程中ωo相的析出长大规律。结果表明,退火温度影响ωo相的析出过程,750℃和800℃退火时,由于过冷度高,形核驱动力大,ωo相可在很短时间内大量均匀地从整个β。相区域析出,并随着退火时间的延长而长大。与之相反,850℃退火时,ωo优先在具有较低形核能垒的βo相界面处形核析出,随着退火时间的延长,ωo相长大并占满整个β。相区域。(3)揭示了退火过程中β。相的相变分解规律。结果表明,750-850℃的退火过程中,β。相内除发生了 βo→ωo的相变外,还发生了βo→α2 βo→γ的相变分解,针状的α2相和棱镜状的γ相可在先析出的ωo相界面上形核并析出。随着退火时间的延长,针状α2相粗化不明显,但Y相可发生明显粗化,且逐渐与近邻的ωo相失去共格关系。除此之外,βo/γ相界面上也发生了βo(ωo)→γ的相转变。相界面由γ相向β。相的推进过程中,遇到无法扩散完全的ωo颗粒时会形成在βo/▲相界面上的ωo相钉扎,随着退火温度的升高,这种界面钉扎的现象越明显,甚至整个ωo相被新生成的γ相包裹。(4)揭示了 D8-ω相的析出及元素富集规律。结果表明,随着退火温度的升高,850℃退火时,D88-ω相开始在βo/γ相界面上析出并长大。D88-ω相的析出与βo/γ相界面的快速迁移以及元素在相界面上的快速扩散有关。βo(ωo)→γ相变过程中,由新生成的γ相向着βo(ωo)相扩散的净空位流以及界面上局部区域的Nb和W元素富集将最终导致D88-ω相的析出,透射电镜能谱以及HADDF像均表明Nb和W是D88-ω相的稳定元素。(5)研究了蠕变过程中的ωo相显微组织演变。结果表明,蠕变温度越高,β。相内的ωo相长大成长条状,且ωo相之间的残余β。相晶粒尺寸也随蠕变温度的升高而增大。残余βo相的形成是因为蠕变温度的升高,扩散加快,ωo相长大过程中可以更快地向外排出β。相稳定元素,如W元素等。从而导致残余βo相晶粒尺寸随温度升高而增大。而蠕变应力越大,则可促使βo相区域内均匀析出ωo相并最终占满整个βo相区域。(6)研究了蠕变过程中单变体ωo相的形成机制。结果表明,βo相{110}111滑移系所对应ωo1变体的(2110)/[0001]晶面晶向之间有最小的错配且原子排列相近,位错穿过βo/ωo1界面时不会引起原子的错排而导致点阵畸变。与之相反,当位错滑移遇到ωo变体2-4时,会由于滑移方向上原子排列的不同而产生应力集中,随着变形量的增大,ωo变体2-4的晶格将会因变形而遭到破坏,从而无法形成。(7)研究了蠕变过程中的织构演化。结果表明,随蠕变温度的升高,010再结晶织构的强度逐渐增加而001形变孪晶织构的强度却逐渐减弱。而随着蠕变应力的增加,001孪晶织构和111织构的强度逐渐增加,300 MPa样品中甚至还出现了031附近的变形织构。(8)研究了蠕变过程中ωo相对蠕变性能的影响。γ三叉晶界上的βo(ωo)相可阻碍再结晶Y晶粒的长大;且当蠕变裂纹扩展遇到较硬的ωo相时,裂纹扩展方向会发生偏转,从而消耗更多的能量,这都有利于高Nb-TiAl合金蠕变性能的提高。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.23
【图文】：

典型晶体结构,全片层组织,双态组织,片层组织

典型显微组织，分别为：全片层组织（Ｆｕｌｌｙ邋ｌａｍｅｌｌａｒ）、近片层组织（Ｎｅａｒｌｙ逡逑ｌａｍｅｌｌａｒ）、双态组织（Ｄｕｐｌｅｘ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）和近邋ｙ邋组织（Ｅｑｕｉａｘｅｄ邋ｎｅａｒ邋ｇａｍｍａ）逡逑如图２－２所示［７（）］。逡逑（１）

全片层组织,双态组织,片层组织,显微组织

逦ＭＯＯ］逦＾逦｜１00ｌ邋＾逦＆逦＾逡逑图２－１邋ＴｉＡｌ合金中的几种典型晶体结构｜Ｍ｜逡逑（ａ）邋ａ２邋相；（ｂ）邋ｉｒ邋相；（ｃ）邋ｐ。相逡逑２．１．２邋ＴｉＡｌ合金的典型显微组织逡逑目前具有工业应用前景的合金为Ａ１含量较低的ａ２＋ｙ双相（或多相）ＴｉＡｌ逡逑合金。双相Ｙ－ＴｉＡｌ合金的组织控制是影响合金宏观力学性能的重要因素，研逡逑究发现，通过不同的热处理制度［１，７（ＷＩ］，可以在ＴｉＡｌ合金中获得四种不同的逡逑典型显微组织，分别为：全片层组织（Ｆｕｌｌｙ邋ｌａｍｅｌｌａｒ）、近片层组织（Ｎｅａｒｌｙ逡逑ｌａｍｅｌｌａｒ）、双态组织（Ｄｕｐｌｅｘ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）和近邋ｙ邋组织（Ｅｑｕｉａｘｅｄ邋ｎｅａｒ邋ｇａｍｍａ）逡逑如图２－２所示［７（）］。逡逑（１）

【参考文献】