高铌钛铝合金物相结构及其原子堆垛特征研究

发布时间：2020-07-09 22:46

【摘要】：高Nb-TiAl合金是发展先进高温轻质合金的典范,已经被广泛应用于航空航天以及汽车制造业。高Nb-TiAl合金既保持了普通TiAl合金密度低、刚度高、750oC下较好的抗氧化等优点,同时,Nb元素的加入提高了合金的有序化温度和熔点,进一步增强了合金的抗氧化性、抗蠕变性。本文采用非自耗真空电弧冶炼技术+水冷铜坩埚的方法制备了42种TiAl基合金铸锭,每个合金铸锭都经过5次反复熔炼以及均匀化退火处理。对所得合金的显微组织、物相相关参数以及合金局域特征等三个方面进行了研究,分析了合金凝固组织特征、物相组成、晶格常数演变、局域结构以及合金的原子堆垛结构特征,为高Nb-TiAl合金的性能分析以及应用研究奠定基础。TiAl基合金中金相组织以及物相组成随着Nb元素含量的增加发生变化。通过光学显微镜和扫描电子显微镜观察合金显微组织,结果发现,Nb元素的加入,有利于合金组织的均匀细化,在Al含量低于35%(at.%,下同)的TiAl合金中,Nb元素的添加,可以促进板条组织细化,使得合金晶粒由大于100μm,细化到低于30μm;Al含量为35%~51.5%的TiAl合金显微组织都是α_2/γ片层,Nb元素的加入细化了合金中片层间距,使得片层间距可以小于1μm;在Al含量较高(53%)的TiAl合金中,有大量孪晶存在,Nb元素的加入细化了晶粒尺寸。在Al含量为35%~51.5%的TiAl合金中,片层组织尺寸随Al元素的增多而增大;在显微组织形态上,Nb元素稳定了合金α_2相组织,抑制了γ相的生成。通过对比TiAl合金二元相图和XRD衍射数据,发现合金物相组成也发生了变化:Nb是β相的稳定元素,Al含量为20%的合金中,10%Nb元素的加入促使合金中出现了β相。高Nb-TiAl合金中物相含量和晶格参数随着Nb元素含量的增加发生改变。本课题收集了2组不同Al含量共14种合金的X射线衍射数据,采用绝热法对合金物相含量进行计算。高Nb-TiAl合金物相定量分析结果显示:Nb含量较高的TiAl基合金中α_2相含量比Nb含量较低的TiAl基合金中的多,随着TiAl合金中Nb元素含量的增加,α_2相的稳定性增加,γ相转变受到抑制。用第一性原理方法计算了Nb元素含量分别为12.5%和3.125%的高Nb-TiAl合金中γ相晶格常数,计算结果表明,Nb添加量的增加,使得γ相晶格常数增加。对X射线衍射数据进行物相晶格常数的计算,结果表明:随着Nb元素含量的增加,高Nb-TiAl合金中α_2相的晶格常数逐渐减小,γ相晶格常数逐渐变大。实验中对于γ相晶格常数计算结果与理论计算结果相吻合,证实了实验数据的可靠性。高Nb-TiAl合金局域结构特征分析结果表明,Nb元素的添加改变了合金的原子堆垛结构。本课题通过径向分布函数分析技术对合金堆垛结构进行计算,由原子径向分布(PDF)曲线可以得到合金各原子壳层中原子占位及配位数的变化情况。实验证明:TiAl合金中随着Nb元素含量的增加,原子结合方式发生变化,原子堆垛结构发生改变;PDF曲线第一峰降低,也就是说高Nb元素含量的加入,使得TiAl合金结构中最近邻原子数目减少,原子配位数减少;Nb元素的加入导致PDF曲线中峰形尖锐度的降低,Nb元素不利于钛铝合金原子结构的有序化。
【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG132.3
【图文】：

科研工作者,TiAl合金,金属键,共价键

图1.1 为发动机不同部位所对应的材料。自 Ni 基合金的涡轮发动机被研制出来之后，作为轻质合金的 Ti 合金也逐渐受到了人们的关注。20 世纪 50 年代起，钛合金已经逐步取代传统的铝、钢结构成为重要的航空结构材料，普通钛合金密度小、强度高，具有良好的抗腐蚀性能，但是其工作温度较低，约为 580oC[2]，研发具有更高工作温度的轻质材料成为众多航空材料工作者的工作重心。图 1.1 航空发动机材料的选择兼有金属键和共价键的金属间化合物—TiAl合金的出现吸引了大量科研工作者的关注，表 1.1 列出了几种常见高温材料性能比较。由表可知，TiAl 基合金弹性模量比 Ti 基合金大，略低于 Ni 基合金；低于 850oC 时，TiAl 基合金与 Ni 基合金的高温性能十分接近

二元合金相图,显微组织,合金

山东建筑大学硕士学位论文amma，NG）[16, 17]，如图1.3所示。根据图1.4(a)Ti-Al二元合金相图，Al含量为50%（百分比at.%，除特殊说明外本论文中所涉及合金元素含量均为at.%）的钛铝合金，于共析温度时，进行退火处理可获得等轴近γ组织，由γ等轴晶和极少量的2相组成2和γ两相体积分数相等的相区，保温一段时间后冷却到室温，就可以获得由2/γ片γ等轴晶粒组成的双态组织；在略低于转变温度处进行保温，随着保温时间的的增加层的含量随着增加，γ相含量降低，通过炉冷或者空冷后，构成近片层组织，且片层随着冷却速度的增加而减小；在相转变温度以上10~20oC进行保温，缓慢冷却，即到全片层组织[18, 19]。

二元合金相图,二元合金相图

图 1.4 Ti-Al 二元合金相图常见 TiAl 基合金物相至今已经有很多有关TiAl合金中物相研究的报道，表1.3列出了文献中出现过的l-Nb合金物相及其相关信息[24-29]。在常见TiAl基合金中，涉及最多的物相是、2、γ1） -Ti相是高温相，晶体结构为密排六方，其晶格常数为 a=2.9508 ，c=4.6885 ，1180oC以下相会转变为2-Ti3Al相；（2）2-Ti3Al相是具有D019超点阵结构的有序相，面为（0001），通常出现在Al含量为20%到39.6%之间的TiAl合金中[30]；（3）γ-TiAlL10超点阵结构，Ti原子和Al原子交替排列在（002）晶面上，c/a为1.02，通常出现l含量为46.7%到64.5%之间，可以稳定存在1465oC以下温度。 TiAl 合金制备目前，钛铝基合金正常冷凝制备的方法[31-33]有铸锭冶金，粉末冶金法，铸造技术等，流程如图 1.5 所示，不同的制备技术对应不同用途的合金。

【参考文献】