TiAl合金GTA增材制造工艺及组织性能研究
发布时间：2020-12-23 18:49
TiAl合金由于其密度低、高温强度好、高温抗蠕变以及抗氧化性能优良,在800℃～900℃的温度区间有望取代镍基超高温合金,广泛应用于航空航天领域。但其室温塑性低,常规的热加工方法生产较为困难,而采用GTA电弧增材方式制备TiAl合金不仅生产周期短、生产成本低,而且原材料利用率高,对于结构复杂的TiAl合金有着巨大的制备优势。因此本文将分别送进TC4焊丝与ER1100焊丝,利用GTA电弧增材技术制备TiAl合金,对GTA增材制造工艺进行优化,解决增材过程中的裂纹以及双丝反应不均匀问题;研究沉积态TiAl合金不同区域的组织与性能;探讨Al含量以及基板预热温度对显微组织与力学性能的影响规律。首先研究了工艺参数对于TiAl合金单道熔覆层成型以及熔滴过渡形式的影响规律,解决了沉积过程中的裂纹与混合不均匀问题。以单道熔覆层成型为标准,确定了最优沉积参数:TA2基板、异侧送丝、焊接电流120A、沉积速度100mm/min。随着电弧高度的增加、送丝速度的减小,熔滴过渡形式从液桥过渡趋向于滴状过渡以及排斥过渡。加入V元素后,TiAl合金横截面上元素以及硬度的分布更加均匀。Al的原子含量控制在45%～50...
【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】：102 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
TiAl二元合金相图[11]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3表1-1TiAl系合金各相晶体学结构参数[12]相铝含量at.%晶体结构Ti(α)0-45hcpTi(β)0-47.5bccTi3Al(α2)22-39有序D019TiAl(γ)48-69.5有序面心正方L10TiAl265-68有序fccTiAl375D022图1-1TiAl二元合金相图[11]图1-2α2和γ相的点阵结构示意图[14](a)γ相，(b)α2相1.2.2TiAl合金的组织组成根据具有D019结构α2相在L10结构的基体γ相中所占有比列与分布的不同，可以将TiAl合金的显微组织分为四类，分别是全层片组织(FullyLamellar，FP)、近层片组织(NearLamellar，NP)、双态组织(Duplexstructure，DP)和近γ组织(Equiaxedneargamma，NG)，如图1-3所示[15]。这四种组织的分类主要是根据α2相与γ相的比例与形态分类的[16]，当α2相与γ相全部以层片状存在，几乎不存
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4在等轴的γ晶粒时，便是全层片组织，如图1-3(a)所示；当大部分是α2相与γ相构成的层片组织，同时在枝间存在少量的γ晶粒时，便是近层片组织，如图1-3(b)所示；当比例很接近时，便构成了双态组织，如图1-3(c)所示；当由等轴的γ晶与少量分布在γ相晶界的α2晶粒构成时，便是近γ组织，如图(d)所示。图1-3TiAl合金四种典型的组织[15](a)FP，(b)NP，(c)DP，(d)NG上述四种组织在不同的热处理工艺下得到，如图1-4所示，在γ+α两相区中，不同热处理温度下冷却后形成的组织也不同。确定不同Al含量热处理温度可以由该铝含量向上做垂线，垂线与α/γ和α的相界线的交点记为Ta，共晶温度为Te，这两个温度点可以将温度分为上中下三个区域，T1在交点Ta上部，该温度属于纯α相区，当冷却至室温时，会发生α→α2+γ的相变，从而形成全层片组织，层片团的的晶粒尺寸较大，一般为200-500um，片层面和α2相的基面以及γ相的{111}面平行，γ相与α2相符合Blackburn位相关系[17]。T2和T3温度在中间区域，该区域高温组织由等轴的α与γ相构成，其中α相是高温无序化结构，在空冷或炉冷后经过α→α2+γ相变形成γ+α2层片团，γ相直接冷却成为等轴的γ晶粒。在较高温度T2时，形成的组织大多是层片状，还有少量的等轴γ晶粒，因此为近层片组织，晶粒大小一般为150-200um；较低温度T3时，形成的层片团与等轴的γ比例接近，为双态组织，因为α与γ两相相互钉扎，晶粒较为细小，一般为10-40um。T4属于下部区域，该区域高温为α2+γ两相区，冷却后形成等轴γ晶粒，同时在晶界处析出α2相，晶粒尺寸较小，约为30-50μm。(a)(b)(c)(d)50um50um50um50um
【参考文献】：
期刊论文
[1]TiAl合金焊接裂纹控制研究进展[J]. 陈国庆,张戈,尹乾兴,张秉刚,冯吉才. 材料导报. 2020(05)
[2]金属增材制造的现状与发展[J]. 樊恩想,刘小欣,廖文俊,付超,苏青. 机械制造. 2019(04)
[3]A novel method to fabricate TiAl intermetallic alloy 3D parts using additive manufacturing[J]. J.J.S.Dilip,H.Miyanaji,Austin Lassell,Thomas L.Starr,Brent Stucker. Defence Technology. 2017(02)
[4]金属增材制造技术在航空发动机中的应用展望[J]. 宋文清,李晓光,曲伸,杨涧石. 金属加工(热加工). 2016(02)
[5]钛铝金属间化合物的进展与挑战[J]. 杨锐. 金属学报. 2015(02)
[6]TiAl基合金的熔炼与铸造成形工艺研究现状[J]. 王孟光,孙建科,陈志强. 钛工业进展. 2010(04)
[7]TiAl基合金中的不连续粗化转变[J]. 汪小平,郑运荣. 材料工程. 2000(07)
[8]Ti-5Al-2.5Sn合金冷坩埚感应熔炼过程中Al和Sn元素的挥发研究[J]. 郭景杰,刘源,苏彦庆,贾均. 材料工程. 2000(02)
[9]快速变形法细化TiAl晶粒[J]. 黄伯云,贺跃辉,曲选辉,陈小群. 中国有色金属学报. 1996(02)
博士论文
[1]电子束选区熔化成形Ti-47Al-2Cr-2Nb合金的组织及力学性能研究[D]. 岳航宇.哈尔滨工业大学 2019
[2]TiAl合金热处理过程中亚稳相形成机制研究[D]. 曹守臻.哈尔滨工业大学 2017
[3]全片层高Nb-TiAl合金显微组织热稳定性研究[D]. 方璐.北京科技大学 2017
[4]Ti-45Al-10Nb合金的粉末冶金法制备与组织性能研究[D]. 李学问.哈尔滨工业大学 2015
[5]快速凝固TiAl基合金的组织演变研究[D]. 柴丽华.哈尔滨工业大学 2010
[6]TiAl基合金的制备及高温变形行为研究[D]. 刘彬.中南大学 2008
[7]TiAl基合金的组织超塑性研究[D]. 张俊红.中南大学 2003
[8]8.5Nb-TiAl基合金制备—组织—性能关系[D]. 闫蕴琪.西安交通大学 2001
[9]循环热处理对TiAl基合金组织与性能的影响[D]. 彭超群.中南大学 2001
硕士论文
[1]Ni-Al金属间化合物的电弧增材制造技术基础研究[D]. 李健.华中科技大学 2018
[2]激光选区熔化成形钛铝基金属复合材料微观组织与力学性能研究[D]. 李明.华中科技大学 2018
[3]γ-TiAl合金微裂纹扩展的研究[D]. 卢建涛.兰州理工大学 2017
[4]热处理对TiAl基合金组织与性能的影响[D]. 王敏智.南京理工大学 2016
[5]元素Al、O及热处理对铸态Ti3Al合金组织和性能的影响[D]. 曹磊.东北大学 2014
[6]TiAl基合金熔模精密铸造用型壳制备工艺研究[D]. 周浩.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：2934183
【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】：102 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
TiAl二元合金相图[11]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3表1-1TiAl系合金各相晶体学结构参数[12]相铝含量at.%晶体结构Ti(α)0-45hcpTi(β)0-47.5bccTi3Al(α2)22-39有序D019TiAl(γ)48-69.5有序面心正方L10TiAl265-68有序fccTiAl375D022图1-1TiAl二元合金相图[11]图1-2α2和γ相的点阵结构示意图[14](a)γ相，(b)α2相1.2.2TiAl合金的组织组成根据具有D019结构α2相在L10结构的基体γ相中所占有比列与分布的不同，可以将TiAl合金的显微组织分为四类，分别是全层片组织(FullyLamellar，FP)、近层片组织(NearLamellar，NP)、双态组织(Duplexstructure，DP)和近γ组织(Equiaxedneargamma，NG)，如图1-3所示[15]。这四种组织的分类主要是根据α2相与γ相的比例与形态分类的[16]，当α2相与γ相全部以层片状存在，几乎不存
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4在等轴的γ晶粒时，便是全层片组织，如图1-3(a)所示；当大部分是α2相与γ相构成的层片组织，同时在枝间存在少量的γ晶粒时，便是近层片组织，如图1-3(b)所示；当比例很接近时，便构成了双态组织，如图1-3(c)所示；当由等轴的γ晶与少量分布在γ相晶界的α2晶粒构成时，便是近γ组织，如图(d)所示。图1-3TiAl合金四种典型的组织[15](a)FP，(b)NP，(c)DP，(d)NG上述四种组织在不同的热处理工艺下得到，如图1-4所示，在γ+α两相区中，不同热处理温度下冷却后形成的组织也不同。确定不同Al含量热处理温度可以由该铝含量向上做垂线，垂线与α/γ和α的相界线的交点记为Ta，共晶温度为Te，这两个温度点可以将温度分为上中下三个区域，T1在交点Ta上部，该温度属于纯α相区，当冷却至室温时，会发生α→α2+γ的相变，从而形成全层片组织，层片团的的晶粒尺寸较大，一般为200-500um，片层面和α2相的基面以及γ相的{111}面平行，γ相与α2相符合Blackburn位相关系[17]。T2和T3温度在中间区域，该区域高温组织由等轴的α与γ相构成，其中α相是高温无序化结构，在空冷或炉冷后经过α→α2+γ相变形成γ+α2层片团，γ相直接冷却成为等轴的γ晶粒。在较高温度T2时，形成的组织大多是层片状，还有少量的等轴γ晶粒，因此为近层片组织，晶粒大小一般为150-200um；较低温度T3时，形成的层片团与等轴的γ比例接近，为双态组织，因为α与γ两相相互钉扎，晶粒较为细小，一般为10-40um。T4属于下部区域，该区域高温为α2+γ两相区，冷却后形成等轴γ晶粒，同时在晶界处析出α2相，晶粒尺寸较小，约为30-50μm。(a)(b)(c)(d)50um50um50um50um
【参考文献】：
期刊论文
[1]TiAl合金焊接裂纹控制研究进展[J]. 陈国庆,张戈,尹乾兴,张秉刚,冯吉才. 材料导报. 2020(05)
[2]金属增材制造的现状与发展[J]. 樊恩想,刘小欣,廖文俊,付超,苏青. 机械制造. 2019(04)
[3]A novel method to fabricate TiAl intermetallic alloy 3D parts using additive manufacturing[J]. J.J.S.Dilip,H.Miyanaji,Austin Lassell,Thomas L.Starr,Brent Stucker. Defence Technology. 2017(02)
[4]金属增材制造技术在航空发动机中的应用展望[J]. 宋文清,李晓光,曲伸,杨涧石. 金属加工(热加工). 2016(02)
[5]钛铝金属间化合物的进展与挑战[J]. 杨锐. 金属学报. 2015(02)
[6]TiAl基合金的熔炼与铸造成形工艺研究现状[J]. 王孟光,孙建科,陈志强. 钛工业进展. 2010(04)
[7]TiAl基合金中的不连续粗化转变[J]. 汪小平,郑运荣. 材料工程. 2000(07)
[8]Ti-5Al-2.5Sn合金冷坩埚感应熔炼过程中Al和Sn元素的挥发研究[J]. 郭景杰,刘源,苏彦庆,贾均. 材料工程. 2000(02)
[9]快速变形法细化TiAl晶粒[J]. 黄伯云,贺跃辉,曲选辉,陈小群. 中国有色金属学报. 1996(02)
博士论文
[1]电子束选区熔化成形Ti-47Al-2Cr-2Nb合金的组织及力学性能研究[D]. 岳航宇.哈尔滨工业大学 2019
[2]TiAl合金热处理过程中亚稳相形成机制研究[D]. 曹守臻.哈尔滨工业大学 2017
[3]全片层高Nb-TiAl合金显微组织热稳定性研究[D]. 方璐.北京科技大学 2017
[4]Ti-45Al-10Nb合金的粉末冶金法制备与组织性能研究[D]. 李学问.哈尔滨工业大学 2015
[5]快速凝固TiAl基合金的组织演变研究[D]. 柴丽华.哈尔滨工业大学 2010
[6]TiAl基合金的制备及高温变形行为研究[D]. 刘彬.中南大学 2008
[7]TiAl基合金的组织超塑性研究[D]. 张俊红.中南大学 2003
[8]8.5Nb-TiAl基合金制备—组织—性能关系[D]. 闫蕴琪.西安交通大学 2001
[9]循环热处理对TiAl基合金组织与性能的影响[D]. 彭超群.中南大学 2001
硕士论文
[1]Ni-Al金属间化合物的电弧增材制造技术基础研究[D]. 李健.华中科技大学 2018
[2]激光选区熔化成形钛铝基金属复合材料微观组织与力学性能研究[D]. 李明.华中科技大学 2018
[3]γ-TiAl合金微裂纹扩展的研究[D]. 卢建涛.兰州理工大学 2017
[4]热处理对TiAl基合金组织与性能的影响[D]. 王敏智.南京理工大学 2016
[5]元素Al、O及热处理对铸态Ti3Al合金组织和性能的影响[D]. 曹磊.东北大学 2014
[6]TiAl基合金熔模精密铸造用型壳制备工艺研究[D]. 周浩.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：2934183
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