真空热压烧结TiAl基合金组织性能及热变形行为研究

发布时间：2020-09-01 16:40

　　随着汽车和航空发动机领域对轻质高强要求的不断提高,TiAl基合金作为轻质结构材料,具有低密度,高比强度,高比刚度和优异的高温力学性能等优点,可以部分替代镍基高温合金等高密度部件。但TiAl基合金室温低塑性和较差的热加工性限制了其广泛的工程应用。因此,本文通过粉末冶金的制备方法和热加工工艺来调控和细化TiAl基合金组织,以期提高其力学性能。采用名义成分为Ti-43Al-4Nb-1Mo-0.1B(原子分数,%)预合金粉末在不同温度下进行真空热压烧结制备合金,研究烧结温度对组织演化,室温和高温性能的影响。TiAl基合金在1200、1275、1300和1325~oC温度下进行烧结,分别获得平均晶粒尺寸为3μm和5μm的近γ组织和双态组织,平均晶团尺寸为70μm和120μm的近片层组织和全片层组织。烧结过程中,原始预合金粉末中亚稳的α_2相向平衡γ相转变,随着温度升高至α单相区,大量的γ向α相转变,在冷却过程中由于共析反应γ在α中析出,形成α_2/γ片层组织。上述四种烧结温度的组织室温压缩工程应变均高于30%,但室温拉伸延伸率仅为0.2~0.34%,其中近片层组织800~oC高温拉伸延伸率增高至5%,断裂强度提升至500 MPa附近。对烧结温度为1300~oC的TiAl基合金在以下条件进行热模拟试验:变形温度为1050~1250~oC,应变速率为0.01~0.5 s~(-1),真应变为0.7,研究其热变形行为。结果表明,流变应力随着变形温度的降低而增加,随着应变速率的增加而增加,求得烧结态TiAl基合金的热激活能为664.75 kJ/mol。根据显微组织可知,合金中片层组织发生弯折和扭转,部分片层破碎,大量片层组织的取向与压缩方向垂直;随着变形温度的升高,组织中β(B2)相和γ相含量下降;变形温度为1250~oC,当应变速率增大,组织中出现大量的动态再结晶α晶粒,片层间距减少至不足20 nm。合金的加工硬化是由位错密度的增加所致,流变软化机制为动态再结晶,片层组织的弯折和扭转。结合热模拟试验结果,选取TiAl基合金热包套挤压温度为1240~oC,研究挤压后合金组织演化及力学性能等问题。挤压后组织由细小的片层组织和呈直线分布的γ相组成,由于强烈的塑性变形,α_2相出现10-10α_2∥ED和2-1-10α_2∥ED织构,由于在片层组织中γ相与α_2的位相关系,因此存在110γ∥ED织构,以及再结晶织构211γ∥ED。对比热处理后的挤压态TiAl基合金的显微组织和力学性能,可知,当热处理温度为900~1100~oC时,出现等轴的再结晶γ和α_2晶粒,当温度增高至1250~oC,开始出现片层组织;由于热处理后合金内部由于空冷所产生的内应力释放,因而显微硬度有所降低,热处理温度为1100~oC和1200~oC时室温压缩应变量提升至35%,经900~oC热处理,组织内仍保留变形时的织构,α_2相滑移系方向与拉应力平行,位错易于开动,室温延伸率增加至1.37%。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG146.23
【部分图文】：

晶体结构,合金,片层组织

合金各相有序晶体结构[20](a)γ-TiAl(L10) (b)2-Ti3Al(D01热处理制度下，能够获得 TiAl 基合金四种典型的细小的双态组织，以及近片层组织和较为粗大全为四种组织的制备方法和特性：织(Near gamma)：在共析温度(Te)附近的2+γ 两时间缓慢冷却后，即可获得等轴的近 γ 组织，此种量的2相组成，晶粒尺寸一般为 30~50 μm，在较更加细小的晶粒；织(Duplex)：在稍高于 Te的 +γ 两相区进行热处组织，这种组织由等轴的 γ 相和片层组织(L(2/γ)于 1，两种组织混合，相互制约，形成平均尺寸约组织的室温延展性和强度良好，但是其高温抗蠕变组织(Near lamellar)：在略低于转变温度(T )的

二元相图,显微组织,合金化设计,元素

图 1-2 TiAl 二元相图和四种典型显微组织[16]1.3 TiAl 基合金的合金化设计历经多年的探索与研究，TiAl 合金的合金化设计获得了一定的成绩。TiAl基合金中最为主要的元素之一 Al 元素，工程应用中，一般把 Al 元素的含量控制在 42%-48%之间，根据相图发现，双相 TiAl 合金有两种凝固路线[13]，一种为 Al元素含量大于 44%，通过包晶转变凝固，另一种为 Al元素含量小于 44%，通过 β 凝固，β 凝固可避免包晶转变和合金元素对 β→ 转变动力学的影响，获得均匀、没有强烈偏析的组织。TiAl 基合金中添加的合金元素为：V、Cr、Mn、Nb、Mo、Ta、W、B、C、Si 等[21]，其中 β 相稳定元素有 Nb，Mo，V，Mn，Cr，W，这一类合金元素均属于慢扩散型元素，晶体结构为体心立方，通过添加此类合金元素可以扩大 β相区，得到稳定 β 相的效果，提升 TiAl 合金的高温变形能力[22,23]。少量的 Nb 元素可以增强抗氧化和抗蠕变性，而当 Nb 含量在 5%-10%范围内时，高 Nb-TiAl 合金高温强度显著提高[7]。林均品等[24]和 Appel F 等[25]研

合金制备,加工路线

图 1-3 TiAl 合金制备和加工路线图[16,32]工艺中使用较为广泛的一种是精密熔模铸造技术，此种技术复杂，壁薄，尺寸精度优，表面粗糙度较低的构件，美国 G叶片就是用此种方法制备而成[34]。1998 年日本 Tetsui 等[65Nb-0.6Cr-0.2Ni 合金，通过重力铸造技术制备出约 1000 个汽压器和涡轮转子(图 1-4)，安装在三菱汽车上进行考核测试3 年继续生产出超过 20000 个的 TiAl 基合金涡轮增压器。使用汽车发动机涡轮增压器的涡轮转子，可代替普通的 Ni 基高少涡轮质量，相应减少转动时的惯性。但一般铸造组织粗大等缺陷[35]。

【参考文献】