选区激光熔化增材制造Ti-22Al-25Nb高温合金的组织与性能研究
发布时间：2021-06-07 00:55
航空工业是我国目前大力发展的热门方向之一,开发高比强度的高温结构材料和其先进制备加工技术是实现现代航空技术快速发展的关键途径。Ti2AlNb基合金由于其具有优异的高温比强度、高温抗蠕变性能以及较高的断裂韧性,因而被认为是替代传统镍基高温合金最具潜力的材料。然而Ti2AlNb基合金变形困难,加工性能差,通过传统的加工方法很难制备出具有复杂结构的零部件。选区激光熔化（Selective Laser Melting,SLM）技术是一种新兴的先进增材制造技术的一种,其在制备具有复杂结构Ti2AlNb基合金零部件方面具有巨大的优势。目前针对选区激光熔化制备SLM成形Ti2AlNb基合金方面存在着四个方面关键性科学问题:一是原始粉体与激光的作用机理;二是SLM成形Ti-22Al-25Nb合金的力学性能强化机理与物相演变内在机制;三是SLM成形工艺参数对打印态合金的微观组织与力学性能的作用机理,四是热处理对Ti-22Al-25Nb增材构件物相、组织和力学性能的影响机制。因此本研究将针对上述四个科学问题进行研究。旨...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：130 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
晶体结构模型
第1章绪论-5-图1-2α2、B2、O1和O2的晶体结构分别在[0001]、[110]、[001]和[001]方向上的投影图[41]Fig.1-2Projectionsofthecrystalstructuresofα2,B2,O1,andO2inthe[0001],[110],[001],and[001]directions,respectively[41]表1-1Ti2AlNb基合金常见组成相的晶格参数[41,48]Table1-1LatticeparametersofthephasesexistedintheTi2AlNb-basedalloys[41,48]物相晶体结构结构符号空间群点阵常数a点阵常数b点阵常数cα2hcp(有序)DO19P63/mmc5.785.784.63B2bcc(有序)DO3Pm3m3.223.223.22βbcc(无序)A2Im3m3.313.313.31O1orthorhombic(无序)Cmcm5.969.864.67O2orthorhombic(有序)Cmcm5.969.864.671.2.3Ti2AlNb基合金相图为更好地理解Ti2AlNb基合金的相区及相变过程，Ti-22Al-xNb(at.%)伪二元相图最初由Miracle等人开发[49]，后经Boehlert等人进行了进一步的修订[50]，最终如图1-3所示。本文研究的合金成分为Ti–22Al–25Nb，其凝固路径如图1-3中红色虚线所示。从图中可以看出B2相是初生相，最先从液体中形核。α2+B2两相区大概位于1020-1070°C区间；而α2+B2+O三相区则位于880-1020°C范围内；B2+O相区大约位于750-880°C温度区间；低于750°C，B2相发生成分诱导的有序-无序二级相变，形成无序的β相；当温度低于630°C时，相图表明可以形成全O相组织，但是并没有实验论证这一现象，因为在这个温度区间内，相变动力学变得特别缓慢，因此需要非常长的时效时间才能生成更多的O相。由相图可知，α2相和O相可由B2相转变而来，该转变可以通过以下三种转变模式进行，第一种相变模式遵循Widmanstatten析出机理，即α2相和O相的析出
哈尔滨工业大学博士学位论文-6-都涉及到剪切转变和扩散转变过程[42]；第二种相变模式是通过成分变化来进行的，在低Nb含量成分范围内，过饱和的B2相可以迅速转变为稳定的α2相，而在高Nb含量成分范围内，过饱和的B2相则倾向于转变为O相[51,52]；第三种转变模式是通过α2+bcc和O+bcc的不连续析出进行，由此产生的胞状结构取代了细小的晶内析出物[49,50,53-55]。图1-3Ti-22Al-xNb(at.%)伪二元相图[49,50]Fig.1-3Thepseudo-binaryphasediagramforTi–22Al–xNb(at.%)[49,50]1.2.4Ti2AlNb基合金显微组织与力学性能1.2.4.1Ti2AlNb基合金显微组织根据热加工方法和热处理工艺的不同，有序斜方晶系Ti2AlNb基合金的微观组织可以在很宽温度范围内变化。一般而言，通过传统热机械处理可以获得三种典型显微组织，即：等轴组织、双态组织和层片状组织[6]。（1）等轴组织等轴组织的特征是初生O相或α2相以等轴颗粒状分布于β/B2相基体上，等轴颗粒的数量一般在30%以上，其形貌如图1-4(a)所示。等轴状组织一般可以通过将合金在α2+O+B2/B2+O相区加热，并经过充分塑性变形和再结晶退火来获得。变形量越大、加热温度越低，等轴状α2/O相的含量就越大，同时晶粒越细校因此对于粗大的铸态组织，一般可以通过高应变锻造工艺来获得细小的等轴状组织。等轴组织一般具有优异室温塑性和强度，然而其高温蠕变性能
【参考文献】：
期刊论文
[1]Microstructure and mechanical properties of a new Ti2AlNbbased alloy after aging treatment[J]. Yong-Sheng He,Rui Hu,Wen-Zhong Luo,Tao He,Yun-Jin Lai,Yu-Jun Du,Xiang-Hong Liu. Rare Metals. 2018(11)
[2]热处理对激光增材制造Ti2AlNb基合金组织及性能的影响[J]. 唐杨杰,刘彦涛,张永忠. 航空制造技术. 2016(19)
[3]钛及钛合金熔炼技术发展现状[J]. 雷文光,赵永庆,韩栋,毛小南. 材料导报. 2016(05)
[4]Hot deformation behavior and process parameter optimization of Ti22Al25Nb using processing map[J]. Jing-Li Zhang,Hong-Zhen Guo,Hou-Quan Liang. Rare Metals. 2016(01)
[5]Ti-22Al-25Nb合金环形件成形工艺与组织性能关系[J]. 田伟,钟燕,梁晓波,张建伟,曾卫东. 材料热处理学报. 2014(10)
[6]金属氧化膜对激光辐照效应的影响[J]. 彭国良,闫辉,刘峰,王玉恒,郑艳丽,束庆邦. 红外与激光工程. 2013(05)
[7]Ti3Al和Ti2AlNb基合金的研究与应用[J]. 张建伟,李世琼,梁晓波,程云君. 中国有色金属学报. 2010(S1)
[8]β锻造Ti-22Al-25Nb合金的组织转变与拉伸性能[J]. 张艺,刘俊友,张建伟. 中国有色金属学报. 2008(01)
[9]Ti2AlNb基合金的研究进展[J]. 司玉锋,孟丽华,陈玉勇. 宇航材料工艺. 2006(03)
[10]金属零件选区激光熔化直接快速成形工艺及最新进展[J]. 杨永强,吴伟辉,来克娴,黄常帅,付凯旋,张荣明. 航空制造技术. 2006(02)
本文编号：3215506
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：130 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
晶体结构模型
第1章绪论-5-图1-2α2、B2、O1和O2的晶体结构分别在[0001]、[110]、[001]和[001]方向上的投影图[41]Fig.1-2Projectionsofthecrystalstructuresofα2,B2,O1,andO2inthe[0001],[110],[001],and[001]directions,respectively[41]表1-1Ti2AlNb基合金常见组成相的晶格参数[41,48]Table1-1LatticeparametersofthephasesexistedintheTi2AlNb-basedalloys[41,48]物相晶体结构结构符号空间群点阵常数a点阵常数b点阵常数cα2hcp(有序)DO19P63/mmc5.785.784.63B2bcc(有序)DO3Pm3m3.223.223.22βbcc(无序)A2Im3m3.313.313.31O1orthorhombic(无序)Cmcm5.969.864.67O2orthorhombic(有序)Cmcm5.969.864.671.2.3Ti2AlNb基合金相图为更好地理解Ti2AlNb基合金的相区及相变过程，Ti-22Al-xNb(at.%)伪二元相图最初由Miracle等人开发[49]，后经Boehlert等人进行了进一步的修订[50]，最终如图1-3所示。本文研究的合金成分为Ti–22Al–25Nb，其凝固路径如图1-3中红色虚线所示。从图中可以看出B2相是初生相，最先从液体中形核。α2+B2两相区大概位于1020-1070°C区间；而α2+B2+O三相区则位于880-1020°C范围内；B2+O相区大约位于750-880°C温度区间；低于750°C，B2相发生成分诱导的有序-无序二级相变，形成无序的β相；当温度低于630°C时，相图表明可以形成全O相组织，但是并没有实验论证这一现象，因为在这个温度区间内，相变动力学变得特别缓慢，因此需要非常长的时效时间才能生成更多的O相。由相图可知，α2相和O相可由B2相转变而来，该转变可以通过以下三种转变模式进行，第一种相变模式遵循Widmanstatten析出机理，即α2相和O相的析出
哈尔滨工业大学博士学位论文-6-都涉及到剪切转变和扩散转变过程[42]；第二种相变模式是通过成分变化来进行的，在低Nb含量成分范围内，过饱和的B2相可以迅速转变为稳定的α2相，而在高Nb含量成分范围内，过饱和的B2相则倾向于转变为O相[51,52]；第三种转变模式是通过α2+bcc和O+bcc的不连续析出进行，由此产生的胞状结构取代了细小的晶内析出物[49,50,53-55]。图1-3Ti-22Al-xNb(at.%)伪二元相图[49,50]Fig.1-3Thepseudo-binaryphasediagramforTi–22Al–xNb(at.%)[49,50]1.2.4Ti2AlNb基合金显微组织与力学性能1.2.4.1Ti2AlNb基合金显微组织根据热加工方法和热处理工艺的不同，有序斜方晶系Ti2AlNb基合金的微观组织可以在很宽温度范围内变化。一般而言，通过传统热机械处理可以获得三种典型显微组织，即：等轴组织、双态组织和层片状组织[6]。（1）等轴组织等轴组织的特征是初生O相或α2相以等轴颗粒状分布于β/B2相基体上，等轴颗粒的数量一般在30%以上，其形貌如图1-4(a)所示。等轴状组织一般可以通过将合金在α2+O+B2/B2+O相区加热，并经过充分塑性变形和再结晶退火来获得。变形量越大、加热温度越低，等轴状α2/O相的含量就越大，同时晶粒越细校因此对于粗大的铸态组织，一般可以通过高应变锻造工艺来获得细小的等轴状组织。等轴组织一般具有优异室温塑性和强度，然而其高温蠕变性能
【参考文献】：
期刊论文
[1]Microstructure and mechanical properties of a new Ti2AlNbbased alloy after aging treatment[J]. Yong-Sheng He,Rui Hu,Wen-Zhong Luo,Tao He,Yun-Jin Lai,Yu-Jun Du,Xiang-Hong Liu. Rare Metals. 2018(11)
[2]热处理对激光增材制造Ti2AlNb基合金组织及性能的影响[J]. 唐杨杰,刘彦涛,张永忠. 航空制造技术. 2016(19)
[3]钛及钛合金熔炼技术发展现状[J]. 雷文光,赵永庆,韩栋,毛小南. 材料导报. 2016(05)
[4]Hot deformation behavior and process parameter optimization of Ti22Al25Nb using processing map[J]. Jing-Li Zhang,Hong-Zhen Guo,Hou-Quan Liang. Rare Metals. 2016(01)
[5]Ti-22Al-25Nb合金环形件成形工艺与组织性能关系[J]. 田伟,钟燕,梁晓波,张建伟,曾卫东. 材料热处理学报. 2014(10)
[6]金属氧化膜对激光辐照效应的影响[J]. 彭国良,闫辉,刘峰,王玉恒,郑艳丽,束庆邦. 红外与激光工程. 2013(05)
[7]Ti3Al和Ti2AlNb基合金的研究与应用[J]. 张建伟,李世琼,梁晓波,程云君. 中国有色金属学报. 2010(S1)
[8]β锻造Ti-22Al-25Nb合金的组织转变与拉伸性能[J]. 张艺,刘俊友,张建伟. 中国有色金属学报. 2008(01)
[9]Ti2AlNb基合金的研究进展[J]. 司玉锋,孟丽华,陈玉勇. 宇航材料工艺. 2006(03)
[10]金属零件选区激光熔化直接快速成形工艺及最新进展[J]. 杨永强,吴伟辉,来克娴,黄常帅,付凯旋,张荣明. 航空制造技术. 2006(02)
本文编号：3215506
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