β型γ-TiAl基合金热变形行为及组织性能研究

发布时间：2018-05-31 04:29

  本文选题：Ti + Al基合金　； 参考：《西北工业大学》2015年博士论文

【摘要】：TiAl金属间化合物因其具有密度低、熔点高、高温蠕变性能及抗高温氧化性能优异等优点,在近三十年内得到世界各国研究者的广泛关注,成为飞行器发动机的最佳候选材料之一。然而由于其本征脆性,导致该类合金在热塑性加工方面存在颇多问题。一般来说,通过合金化,热处理和热机械加工(如等温锻造,热挤压和轧制等)方式可以获得具有细小片层和良好塑性的TiAl合金。最近,通过添加Mo、W、Nb、V等β稳定元素制备的β型-TiAl合金,由于具有优异的高温变形能力和机加工能力,成为国际上研究的热点之一。本文以新型TiAl合金(Ta-TiAl)为研究对象,基于耗散结构理论,构造该合金的热加工图,分析合金的高温变形行为和变形机制。应用损伤力学理论,研究分析合金在高温变形过程中的开裂机理,从而成功地解决了TiAl合金的挤压开坯开裂的难题,制备出外观完整的大尺寸新型TiAl合金棒材。此外,本文还系统地研究了不同的热处理工艺对新型β型TiAl合金显微组织和显微硬度的影响规律;利用相变细化原理研究循环热处理对显微组织的影响,探讨了显微组织与拉伸性能之间的关系,分析了不同显微组织的断裂机制,其主要研究结果如下:基于合金高温变形的流动应力-应变数据,揭示了合金的高温变形行为与变形温度和应变速率之间的关系,构建了考虑峰值应力的新合金的本构方程。采用动态材料模型,绘制了新型TiAl合金热在应变为0.2与0.6时的加工图,优化了合金的加工窗口,制备出优良的合金锻饼。借助组织观察分析手段,系统分析了合金的高温塑性变形时,动态再结晶的微观机制和影响因素。研究发现该合金的热变形应力随着变形温度的升高和应变速率的降低而降低。合金的热变形组织强烈依赖于变形量、变形速率和温度。热变形加工过程中,出现了两种类型的动态再结晶(连续动态再结晶与不连续动态再结晶)。而动态再结晶的类型与应变速率,变形温度等变形参数密切相关。基于热加工图和组织优化控制的考虑,加工参数为:变形温度1200℃左右,应变速率小于0.5s-1,合金的初次变形量低于50%。通过热压缩试验,本文研究了新型TiAl合金的开裂形式和开裂机制。研究结果表明,新型TiAl合金的表面宏观裂纹主要由45°剪切开裂和纵向自由表面开裂裂纹两种形貌组成,且随着热加工变形过程中,变形温度的降低、应变速率和变形程度的增加,合金的宏观开裂程度增多。裂纹容易于片层间形核,在垂直于压缩方向的方向起裂,并且倾向于γ/γ沿着片层晶团的晶界或者沿着γ/α2晶粒的γ片晶界边,以“Z”形扩展。合金在高应变速率下变形,形变孪晶的界面成为形核与扩展的主要位置。同时基于最大应力与微观组织的影响,建立了该合金的热变形开裂准则,达到阀值时,合金高温变形易开裂。利用大规格棒材挤压试验,研究了挤压后合金在不同退火温度、保温时间以及冷却方式的显微组织的演变规律及硬度值的变化。研究发现Ta的添加有利于油冷组织中块状相的析出,在后续的热处理中可利用块状相进行组织细化。研究拉伸性能时发现,近层片组织的室温拉伸强度可达到846MPa,延伸率约为2.16%,与同类合金相比,延伸率接近最优值,并且其拉伸塑性高于全片层组织的。两类组织的断口基本都呈沿层断裂与穿层断裂的混合方式。近片层组织的拉伸裂纹由于晶界β的存在,在扩展过程中易分叉。而全片层组织的拉伸裂纹则更易扩展,且全片层组织中的裂纹扩展方向与不同晶团的片层位向有关。利用三步短时循环热处理研究合金的片层组织的演化规律,研究发现循环温度、时间、循环次数对合金显微组织的细化作用。研究发现γ/α2片层晶团体积分数与热处理温度呈一定比例;随着循环次数的增加,片层组织的细化程度逐渐加剧,且片层特征明显;保温时间影响合金α2/γ片层晶团的体积比,时间越长片层晶团析出越多。短时多次循环对合金的细化作用明显。组织经过循环热处理后,室温拉伸塑性得到明显提高。断口分析发现:细化组织后的合金样品断口呈穿层和沿层混合断裂方式。裂纹扩展时,以“Z”形剪切带穿层扩展,这与晶体的滑移方向有关。显微组织中裂纹扩展方向与片层晶团晶界平行时,裂纹会沿着晶界继续扩展;而与裂纹扩展方向垂直或倾斜一大角度时,裂纹一般会停止从而形成分叉,通过增加剪切带的数量和尺寸来提高塑性变形损耗能。
[Abstract]:In this paper , the effects of heat treatment on microstructure and microhardness of new 尾 - TiAl alloy have been studied by means of alloying , heat treatment and thermal machining ( such as isothermal forging , hot extrusion and rolling ) . In the process of thermal processing , the deformation temperature , strain rate and deformation degree of the alloy are increased , the macroscopic cracking degree of the alloy is increased . The results show that the tensile strength of the alloy can reach 846MPa and the elongation is about 2.16 % .
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.23
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本文编号：1958289