基于团簇结构模型的高温近α-Ti合金成分规律探究及设计

发布时间：2017-08-14 17:06

  本文关键词：基于团簇结构模型的高温近α-Ti合金成分规律探究及设计

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【摘要】：高温近α-Ti合金具有优异的抗氧化性能、耐蚀性能和综合力学性能,目前使用温度已达600℃,是航空发动机的主要结构材料。为满足其使役性能,通常添加多种溶质元素共同合金化,包括HCP-a稳定元素Al, BCC-β稳定元素Mo、Nb、Si,中性元素Sn、Zr,以及微量稀土元素Y、Ce、Nd等。多组元共同合金化势必带来了合金成分的复杂性,故人们提出了Al当量法、d电子合金理论、电子浓度法与BP神经网络法等诸多成分设计方法,以实现多个共同添加的元素合理匹配,从而确保高温Ti合金的结构稳定性。高温近α-Ti合金为固溶体合金,根据固溶体结构的局域化学短程序特征,本工作利用本组提出的的“团簇加连接原子”稳定固溶体结构模型来探究近α-Ti合金的成分规律。在此团簇结构模型中,与基体Ti具有强交互作用的溶质原子位于团簇心部,与基体Ti形成最近邻配位多面体团簇,以代表固溶体结构的化学短程序,与基体具有弱交互作用的溶质原子则位于团簇之间的间隙位置,作为连接原子,与Ti同族的元素则与基体一起位于团簇壳层位置,从而可给出团簇成分式[团簇](连接原子)x(x为连接原子个数)。选取典型600℃使用的近α-Ti合金Ti1100作为参比合金,其团簇成分式可表达为[Al-(Ti13.7Zr03)] (Al0.69Sn0.18Si0.12Mo0.03),恰为连接原子x=1的情形。在此基础上,利用相似元素替代原则分别将Ta和Nb替换Mo、Hf替换Zr,得到[Al-(Ti13.7(Zr,Hf)o.3)](Al0.69Sn0.18Si0.1(Mo,Ta,Nb)0.03)三个系列合金成分,分别为Zro.3系列、Hf0,3系列和Zr0.15Hf0.15系列。利用真空铜模吸铸快冷技术制备直径为6 mm的合金棒,在950℃/1 h固溶处理并水淬,并在560℃/6 h进行时效处理；利用X射线衍射仪(XRD)检测系列合金的相结构组成,金相显微镜(OM)观察合金组织形貌；高温抗氧化实验在马弗炉(KSL-1400X-A2)中进行,实验温度分别为650℃和800℃,并利用扫描电子显微镜观测样品氧化层形貌及厚度；利用Gamry电化学工作站测试合金腐蚀性能：MTS拉伸试验机测试合金在室温与高温下的力学性能。实验结果表明,Hf、Ta、Nb元素的添加降低了合金p结构稳定性,使合金从片层p转变组织转变为等轴α与片层组织共存的双态组织,但系列合金的硬度变化不明显,约为330-370 HV,常温拉伸性能相较于Ti1100合金强度和塑性均有提高,650℃高温拉伸性能强度与Ti1100相当,高温下塑性大大提升。在Ta/Nb替代Mo的Zro.3系列中,[Al-(Ti13.7Zr0.3)] (Al0.69Sn0.18Mo0.01Ta0.01Nb0.01Si0.1)合金在650℃和800℃抗氧化能力均较强,其在800℃下的氧化增重仅为5.6 mg/cm2,氧化层厚度仅为17 μm,是参比合金Ti100的1/3,且自腐蚀电压较参比合金有所提高,高温拉伸强度与参比合金持平,约为550 MPa,但塑性大大提升,延伸率6=45%。在此基础上,在Hf替代Zr形成的Hf0.3系列中,Hf元素的添加进一步提升了系列合金的抗氧化性能及耐蚀性能,其中Al-(Ti13.7Hf0.3)-(A10.69Sn0.18Ta0.015Nb0.015Si0.1)合金在800℃抗氧化性能最强,氧化增重为2.6 mg/cm2,氧化层厚度仅为15μm;Zr0.1sHf0.15系列中Zr、Hf、Ta与Nb共同作用下合金为双态组织,优异的综合力学性能和抗高温氧化能力。
【关键词】：近α-Ti合金 团簇加连接原子模型 合金设计 高温氧化
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.23
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 引言11-12
• 1 绪论12-29
• 1.1 钛合金的分类及其应用12-17
• 1.1.1 传统钛合金12-14
• 1.1.2 钛铝化合物基钛合金14-16
• 1.1.3 钛合金应用16-17
• 1.2 高温钛合金的发展历史与现状17-21
• 1.2.1 国外高温钛合金发展19-20
• 1.2.2 国内高温钛合金发展20-21
• 1.2.3 高温钛合金发展趋势21
• 1.3 高温钛合金的合金元素、组织与性能21-24
• 1.3.1 高温钛合金中的元素种类与作用21-23
• 1.3.2 高温钛合金中常见的微观组织与性能23-24
• 1.4 高温钛合金的合金设计方法24-27
• 1.4.1 Al当量法25
• 1.4.2 d-电子理论合金设计法25-26
• 1.4.3 电子浓度e/a法26
• 1.4.4 BP神经网络法26-27
• 1.4.5 团簇加连接原子结构模型27
• 1.5 选题意义及本课题研究内容27-29
• 1.5.1选题意义27-28
• 1.5.2 主要研究内容28-29
• 2 基于团簇加连接原子结构模型的合金成分设计29-34
• 2.1 α-Ti固溶体合金的“团簇+连接原子”结构模型29-31
• 2.2 高温钛合金成分设计与优化31-34
• 3 实验方法34-38
• 3.1 合金制备34-35
• 3.2 热处理工艺35
• 3.3 组织分析35
• 3.4 硬度分析35-36
• 3.5 XRD分析36
• 3.6 氧化性能测试36
• 3.7 电化学腐蚀性能测试36
• 3.8 力学性能测试36-38
• 4 [Al-(Ti_(13.7)Zr_(0.3))](Al_(0.69)Sn_(0.18)Si_(0.1)(Mo/Ta/Nb)_(0.03))系列合金38-53
• 4.1 [Al-(Ti_(13.7)Zr_(0.3))](Al_(0.69)Sn_(0.18)Si_(0.1)(Mo/Ta/Nb)_(0.03))系列合金结构与组织研究38-44
• 4.1.1 XRD分析38-40
• 4.1.2 组织分析40-41
• 4.1.3 硬度分析41-43
• 4.1.4 元素分布43-44
• 4.2 抗氧化性能分析44-48
• 4.3 腐蚀性能分析48-50
• 4.4 力学性能分析50-52
• 4.5 本章小结52-53
• 5 [Al-(Ti_(13.7)Zr_(0.3))](Al_(0.69)Sn_(0.18)Si_(0.1)(Mo/Ta/Nb)_(0.03))系列合金53-62
• 5.1 [Al-(Ti_(13.7)Zr_(0.3))](Al_(0.69)Sn_(0.18)Si_(0.1)(Mo/Ta/Nb)_(0.03))系列合金结构与组织研究53-57
• 5.1.1 XRD分析53-55
• 5.1.2 组织分析55-56
• 5.1.3 硬度分析56-57
• 5.2 抗氧化性能分析57-59
• 5.3 腐蚀性能分析59-60
• 5.4 本章小结60-62
• 6 [Al-(Ti_(13.7)Zr_(0.3))](Al_(0.69)Sn_(0.18)Si_(0.1)(Mo/Ta/Nb)_(0.03))系列合金62-74
• 6.1 [Al-(Ti_(13.7)Zr_(0.3))](Al_(0.69)Sn_(0.18)Si_(0.1)(Mo/Ta/Nb)_(0.03))系列合金结构与组织研究62-68
• 6.1.1 XRD分析62-64
• 6.1.2 组织分析64-65
• 6.1.3 硬度分析65-66
• 6.1.4 元素分布66-68
• 6.2 抗氧化性能分析68-71
• 6.3 腐蚀性能分析71-73
• 6.4 本章小结73-74
• 结论74-76
• 参考文献76-81
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况81-82
• 致谢82-83

【参考文献】

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