Ti 2 AlNb合金电流辅助超塑成形/扩散连接工艺及机理研究
发布时间：2021-09-30 03:56
人类社会和工业文明进入21世纪后,可持续发展是诸多国家探索的重要发展主题。因而,节能和轻量化现已成为全球汽车产业和航空航天领域的发展趋势和各国竞相追逐的工业目标。轻质材料和绿色节能技术成为我国学者和工程师研究的重点方向及热点领域。近年来,诸多轻质的高性能材料不断地涌现,其中以Ti2AlNb合金为代表的金属间化合物被认为是一种可以取代镍基高温合金的潜在高温合金材料。与此对应的环境友好型的材料加工技术被研发和应用于商业生产中,其中电流辅助热加工工艺凭借其灵活的技术相容性和快速加热优势,已经与多种传统工艺结合（如冲压、轧制、增量成形、气压胀形、搅拌摩擦焊和压力焊）。为进一步克服传统超塑成形（Superplastic forming,SPF）和扩散连接（Diffusion bonding,DB）工艺的固有劣势,拓宽Ti2AlNb合金的应用领域,本文提出了电流辅助超塑成形/扩散连接（Electrically assisted superplastic forming/diffusion bonding,EASPF/DB）工艺,并系统地研究了Ti
【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】：164 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
Ti2AlNb基合金中的主要相的立体结构[4]
哈尔滨工业大学工学博士学位论文4Ti2AlNb基合金的成分范围通常为Ti-(18~30)Al-(12.5~30)Nb，在这一范围内，α2/Ti3Al相，B2相和O相均可以稳定存在。α2/Ti3Al相的晶体结构为密排六方的DO19结构，其中Ti原子和Al原子有序地占据着各点阵位置，α2/Ti3Al相是Al原子和Nb原子进入α-Ti后，进一步有序化的结果，α2/Ti3Al滑移系少，塑性较差。在Ti2AlNb基合金中通常以第二相的形式存在[5]。B2相为有序的体心立方结构，由于体心立方结构的致密度较低，B2相可以溶入较多Al原子和Nb原子。B2相为β-Ti有序化的结果，其塑性较好，在Ti2AlNb基合金中通常以基体的形式存在。在高温下，B2相可以转变为无序的β相[6]。O相（Ti2AlNb相）的晶体结构为底心正交，其结构和元素组成与α2/Ti3Al相相似。O相存在无序的O1相和有序的O2相，即Ti2AlNb相。O相的形成原因主要有以下四方面：（1）α2/Ti3Al相中的Ti原子和Al原子进一步有序化占位，使α2/Ti3Al相的亚晶格点阵发生微小畸变，从而形成O相；（2）B2相沿(111)[121]方向出现切变，B2相中先出现过渡的无序相O1相，O1相进而转换为有序O相；（3）α2/Ti3Al相中的Nb元素过饱和，使得α2/Ti3Al相发生分解，此时出现贫Nb区和富Nb区，在富Nb区中出现微小的晶格畸变，此时生成了O相；（4）通过α2+B2→O的包析反应生成了O相[5,7]。图1-2为MiracleDB和FosterM首次提出[8]，之后由BoehlertCJ等[9]修订的Ti-22Al-xNb相图，相图说明O相在相对低的温度下和较大的Nb含量范围内都可以存在。图1-2Ti-22Al-xNb合金的相图[9]Fig.1-2TheTi-22AlisoplethwithcurrentdataoverlaidforaNbcompositionof27atompercent[9]
辖鸶撸?苡隢i基高温合金相媲美，而密度比Ni基高温合金降低约40%~60%，大大提高了航空航天机械的推重比或燃料效益，成为能在650-750oC下使用的最具替代Ni基高温合金潜质的航空航天材料[11,12]。国内学者近十年在Ti2AlNb合金的热加工成形方面取得了诸多成果。首先是Ti2AlNb合金的组织与性能的关系。西北工业大学的曾卫国教授团队和北京钢铁研究总院针对等温锻造Ti2AlNb板材的组织和力学性能开展了深入和系统的研究。WangW等[13]在等温锻造Ti-22Al-25Nb合金在固溶处理下讨论了初生等轴α2相内部整体向片层O相转变的现象，如图1-3所示，并指出Nb元素在α2相中的聚集和扩散是主要原因。这与前期学者的发现的O相会在等轴α2相周围生成的转变方式不同。图1-3等温锻造Ti-22Al-25Nb合金960oC固溶1h后760oC下时效组织[13]a)低倍，b)高倍Fig.1-3Solutionandagingtreatedmicrostructure:HT-760(940oC+24h,760oC+1h)[13],a)lowmagnificationandb)highmagnificationWangW等[14]对980oC、1040oC和1060oC等温锻造温度下Ti-22Al-25Nb合金的微观组织及后续热处理制度下组织（940oC固溶1h+800oC时效12h）的变化开展了研究，由此得到三种典型的组织，即等轴组织、双相组织和双层片组织。WangW等检测了典型组织的力学性能，常温和650oC高温下，随等温锻造温度的提高，屈服与抗拉强度上升，而伸长率和断面收缩率则逐渐下降。1060oC等温度锻造下的组织有更优异的抗蠕变性能。ZhengY等[15]利用热压缩研究了Ti-22Al-25Nb合金在B2相变点以上（1080-1160oC）的本构关系和变形组织。在组织的控制和设计方面，WangW等[16]采用不同的固溶和时效制度
本文编号：3415078
【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】：164 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
Ti2AlNb基合金中的主要相的立体结构[4]
哈尔滨工业大学工学博士学位论文4Ti2AlNb基合金的成分范围通常为Ti-(18~30)Al-(12.5~30)Nb，在这一范围内，α2/Ti3Al相，B2相和O相均可以稳定存在。α2/Ti3Al相的晶体结构为密排六方的DO19结构，其中Ti原子和Al原子有序地占据着各点阵位置，α2/Ti3Al相是Al原子和Nb原子进入α-Ti后，进一步有序化的结果，α2/Ti3Al滑移系少，塑性较差。在Ti2AlNb基合金中通常以第二相的形式存在[5]。B2相为有序的体心立方结构，由于体心立方结构的致密度较低，B2相可以溶入较多Al原子和Nb原子。B2相为β-Ti有序化的结果，其塑性较好，在Ti2AlNb基合金中通常以基体的形式存在。在高温下，B2相可以转变为无序的β相[6]。O相（Ti2AlNb相）的晶体结构为底心正交，其结构和元素组成与α2/Ti3Al相相似。O相存在无序的O1相和有序的O2相，即Ti2AlNb相。O相的形成原因主要有以下四方面：（1）α2/Ti3Al相中的Ti原子和Al原子进一步有序化占位，使α2/Ti3Al相的亚晶格点阵发生微小畸变，从而形成O相；（2）B2相沿(111)[121]方向出现切变，B2相中先出现过渡的无序相O1相，O1相进而转换为有序O相；（3）α2/Ti3Al相中的Nb元素过饱和，使得α2/Ti3Al相发生分解，此时出现贫Nb区和富Nb区，在富Nb区中出现微小的晶格畸变，此时生成了O相；（4）通过α2+B2→O的包析反应生成了O相[5,7]。图1-2为MiracleDB和FosterM首次提出[8]，之后由BoehlertCJ等[9]修订的Ti-22Al-xNb相图，相图说明O相在相对低的温度下和较大的Nb含量范围内都可以存在。图1-2Ti-22Al-xNb合金的相图[9]Fig.1-2TheTi-22AlisoplethwithcurrentdataoverlaidforaNbcompositionof27atompercent[9]
辖鸶撸?苡隢i基高温合金相媲美，而密度比Ni基高温合金降低约40%~60%，大大提高了航空航天机械的推重比或燃料效益，成为能在650-750oC下使用的最具替代Ni基高温合金潜质的航空航天材料[11,12]。国内学者近十年在Ti2AlNb合金的热加工成形方面取得了诸多成果。首先是Ti2AlNb合金的组织与性能的关系。西北工业大学的曾卫国教授团队和北京钢铁研究总院针对等温锻造Ti2AlNb板材的组织和力学性能开展了深入和系统的研究。WangW等[13]在等温锻造Ti-22Al-25Nb合金在固溶处理下讨论了初生等轴α2相内部整体向片层O相转变的现象，如图1-3所示，并指出Nb元素在α2相中的聚集和扩散是主要原因。这与前期学者的发现的O相会在等轴α2相周围生成的转变方式不同。图1-3等温锻造Ti-22Al-25Nb合金960oC固溶1h后760oC下时效组织[13]a)低倍，b)高倍Fig.1-3Solutionandagingtreatedmicrostructure:HT-760(940oC+24h,760oC+1h)[13],a)lowmagnificationandb)highmagnificationWangW等[14]对980oC、1040oC和1060oC等温锻造温度下Ti-22Al-25Nb合金的微观组织及后续热处理制度下组织（940oC固溶1h+800oC时效12h）的变化开展了研究，由此得到三种典型的组织，即等轴组织、双相组织和双层片组织。WangW等检测了典型组织的力学性能，常温和650oC高温下，随等温锻造温度的提高，屈服与抗拉强度上升，而伸长率和断面收缩率则逐渐下降。1060oC等温度锻造下的组织有更优异的抗蠕变性能。ZhengY等[15]利用热压缩研究了Ti-22Al-25Nb合金在B2相变点以上（1080-1160oC）的本构关系和变形组织。在组织的控制和设计方面，WangW等[16]采用不同的固溶和时效制度
本文编号：3415078
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