Beta-gamma Ti-Al-V-Y合金轧制变形行为及板材组织与性能研究

发布时间：2020-07-19 00:53

【摘要】：作为新型轻质耐高温结构材料,TiAl金属间化合物具有低密度、优异的高温性能,在航空飞行器热防护系统,发动机进气道、喷嘴以及航天发动机热端部件和蒙皮等方面具有广泛的应用潜力。高温包套轧制作为最具有应用潜力的TiAl合金板材制备技术,可以实现TiAl合金板材的高质量成形,是目前国内外研究热点之一。然而TiAl合金热加工窗口窄,高温变性抗力大,以及轧制过程中高应变速率和高应变导致TiAl板材在轧制过程中易发生开裂等问题,制备难度大,限制了TiAl合金板材的热成形及后续的工程化应用。新型Beta-gamma TiAl合金通过添加大量的β相稳定元素,有效改善了合金的高温变形能力,拓宽了TiAl合金的热加工窗口,从而提高了TiAl合金板材的成形质量。本文以Beta-gamma型Ti-43Al-9V-0.2Y合金作为研究对象,对轧制过程中的变形机制、动态再结晶行为、显微组织和力学性能进行了系统的研究,优化了该合金的热轧制工艺参数,最终制备出高质量的TiAl合金板材。基于GOS动态再结晶研究方法,分析了TiAl合金板材在1200℃轧制过程中的高温变形行为以及γ相的动态再结晶行为。研究发现轧制后板材中γ晶粒得到明显细化(10.5μm),γ相的再结晶体积分数升高(~65%),板材中大角晶界体积分数增加,小角晶界体积分数降低。通过对晶粒取向进行分析,发现合金板材在轧制过程中由非连续动态再结晶(DDRX)和连续动态再结晶(CDRX)行为共同协调实现板材高温轧制变形,非连续动态再结晶行为同时伴随着取向为θ=89°±3°100大角晶界的形成,而连续动态再结晶过程伴随着位错堆积、亚晶界以及几何晶界等动态回复行为。合金板材在750℃拉伸测试时表现出优异的高温塑性(53%),说明该合金的脆-韧性转变温度为700-750℃。根据Ti-43Al-9V-0.2Y合金的DSC曲线分析,可知该合金的α(α_2)+β+γ三相区温度区间位于1109-1226℃之间,按照多相区有利于细化板材晶粒的原则,选择三相区对板材进行轧制并研究轧制温度对合金显微组织、再结晶行为、织构演变以及力学性能的影响。发现在相对较低温度轧制有利于晶粒的细化,β→γ相变促使细小的γ板条从β基体中析出,随着轧制温度的升高,这些γ板条尺寸逐渐长大并等轴化;低温轧制促进了γ相的再结晶形核,而高温轧制促进了再结晶晶粒的长大,再结晶体积分数随着轧制温度的升高而升高;织构的演变也主要取决于轧制温度,随着轧制温度的升高,具有001取向的再结晶织构逐渐转变为具有100,01~—0和11~—0取向的变形织构。通过对不同温度轧制板材的室温和高温拉伸性能进行测试,发现板材的室温和高温拉伸强度随着轧制温度的升高而降低,低温轧制板材中大量的小角晶界、具有001取向的再结晶强织构、细小的γ板条以及纳米机械孪晶有利于板材强度的提高,1100℃轧制的TiAl合金板材的室温强度可达945 MPa,750℃拉伸时,板材的强度仍可以保持在550 MPa以上;同时1100℃轧制的板材表现出优异的高温塑性,高应变应力产生高密度位错,大量的小角晶界在高温拉伸过程中为γ相再结晶提供形核质点,使750℃时的拉伸塑性提高到80%以上。研究了TiAl合金板材在(α+γ)双相区轧制过程中显微组织变化,发现经过(α+γ)双相区进行轧制,合金板材中发生了复杂的相变行为,导致板材中形成了两种类型的层片结构:粗大的β/γ层片和细小的α_2/γ层片(平均尺寸:~25μm)。轧制过程中的应力导致发生β→γ相变,促使γ片层从β相基体中析出,形成粗大的β/γ层片;而细小的α_2/γ层片的形成主要是由于轧制过程中的温降和应力共同作用形成的,轧制初期γ相从α相中析出,轧制后期应力促使细小的γ_T层片从α_2/γ层片中沉淀析出,发生α+γ→α_2+γ/γ_T相变形为,最终形成α_2/γ层片结构。通过对(α+γ)双相区轧制的TiAl合金板材中的层片结构进行分析,发现在α_2/γ层片中形成了纳米尺度的反相畴结构(APD),揭示了反相畴界(APB)的形成机制,并研究了纳米尺度反向畴结构与力学性能之间的关系。发现纳米尺度(~15nm)的反向畴结构同时存在于异质的和规则的α_2/γ层片中,多道次轧制过程中温降和反复保温促使发生α→β+γ和α→α_2+γ相变,α/α_2相中的反相畴界是α→α_2无序到有序转变过程中原子迁移的结果。APB在变形过程中可以有效阻碍位错的运动,纳米尺度的APD有利于提高板材的拉伸强度。相对于其他成分的Beta-gamma TiAl合金,该板材表现出非常优异的室温拉伸强度(826 MPa)和室温塑性(1.4%)。通过对1100℃轧制的TiAl合金板材的显微组织以及超塑性行为进行研究,发现该板材表现出非常优异的低温超塑性行为,板材在800℃拉伸温度测试时,应变速率敏感因子为m=~0.3,延伸率就可以达到100%以上,在900℃拉伸测试时该板材获得了最大的延伸率(~362%);TiAl合金板材超塑性变形机制为动态再结晶行为和晶界滑移。
【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】：2018
【分类号】：TG339
【图文】：

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