粉末冶金Ti-22Al-25Nb合金塑性变形机理及电流辅助变形行为研究

发布时间：2020-05-23 03:20

【摘要】：自从Banerjee等人发现正交有序O相(Ti_2AlNb相)以来,因其较高的比强度、比模量及优异抗氧化和耐腐蚀性能,Ti_2AlNb合金被认为是650~800℃温度范围内极具应用潜力的新型轻量化航天用高温结构材料。然而,Ti_2AlNb合金铸锭制备困难、组织敏感性较强,后续加工成形条件苛刻,从而限制了该合金在航空航天领域内广泛的应用。因此,研究开发Ti_2AlNb合金制备新工艺、阐述高温变形机理、优化显微组织就显得尤为重要。本文采用元素粉末法制备Ti_2AlNb合金,对真空热压烧结工艺、塑性变形工艺、高温变形机理以及变形过程中组织、织构演变及力学性能变化进行系统研究。同时,为进一步拓展Ti_2AlNb合金工程化应用前景,本文系统研究Ti_2AlNb合金电流辅助连接技术,并成功制备Ti_2AlNb合金三层中空结构件。首先,本文选取Ti、Al及Nb元素粉末为研究对象,采用低能球磨结合分步烧结工艺制备了组织均匀的低成本Ti-22Al-25Nb合金坯料;研究了烧结温度和保温时间对合金显微组织、相含量及力学性能的影响规律;进一步揭示了低能球磨结合分步烧结制备Ti-22Al-25Nb合金工艺过程中组织演变规律。最终获得具体低能球磨工艺参数:球料比为5:1,球磨时间为4 h,球磨转速为190 r/min。分步烧结工艺:预烧结温度630℃,保温时间1 h,压力为25 MPa;烧结温度为1250℃,保温时间为2 h,压力为35 MPa。然后,本文对低能球磨结合分步烧结制备的Ti-22Al-25Nb坯料进行了热挤压变形,细化晶粒,弥合孔洞,提高合金机械性能。此外,研究了热挤压工艺对显微组织、织构及机械性能的影响规律。研究发现:B2相区热挤压后,Ti-22Al-25Nb合金烧结过程中存在的大块α_2相消失。同时,部分B2相晶粒沿挤压方向变形、拉长;其余B2相在晶界位置出现动态再结晶现象,生成细小晶粒。此外,在挤压过程中产生较强的(110)_(B2)//ED挤压织构及{001}111和{111}131?再结晶织构。挤压态Ti-22Al-25Nb合金在室温、650℃和800℃条件下的抗拉强度分别增加到1122.7 MPa、916 MPa和613.1 MPa。同热压烧结态Ti-22Al-25Nb合金相比,分别增加了67%、40.6%和30.6%。同时,挤压态Ti-22Al-25Nb合金的断裂韧性也得到大大改善,室温、650℃和800℃的断裂延伸率分别达到7.9%、10.6%/和16.1%。另外,随着拉伸温度的逐渐升高,该合金的断裂机理由解理断裂转变成韧性断裂。此外,采用热压缩实验分析了挤压态Ti-22Al-25Nb合金的高温变形机理,分别采用双曲正弦模型及动态材料模型计算得到合金在1213~1333K/0.001~1.0 s~(-1)范围内真应变耦合的本构方程及热加工图。结果表明:变形温度、应变量及应变速率对挤压态Ti-22Al-25Nb合金高温本构方程有显著的影响。在热加工图塑性变形稳态区主要变形机理为动态球化及动态再结晶,塑性变形失稳区(T1270 K,?0.02 s~(-1))主要变形机理为开裂、绝热剪切带。最后,本文采用电流辅助技术,研究了挤压态Ti-22Al-25Nb合金电流辅助连接新工艺。结果表明:电流辅助连接过程中连接试样温度场呈现分布不均匀规律。其中,连接界面处温度最高。随扩散温度的增加、扩散时间的延长,连接界面处孔洞逐渐减小直到消失。当扩散温度达到960℃,扩散时间延长到20 min,施加压力达到10 MPa时,可以得到完全冶金结合的扩散接头,接头的剪切强度可以达到269.3 MPa。进一步结合电流辅助热弯曲工艺,成功实现Ti_2AlNb合金三层中空结构制备。
【图文】：

相图,温度转变曲线,相转变

第 1 章绪论合金的过程中，通过 β 相区热处理后第一次发现具有 Cmcm 结构的正交有序Orthorhombic 相，并进行了深入、系统的研究，包括显微结构、形成机理、相转变、滑移变形等，并取得了大量开创性的成果[32-35]。20 世纪 90 年代，Rowe 等人[36, 37]首次申请了 Ti2AlNb 合金领域内的第一个专利，进一步开发了 Ti-22Al-23Nb 合金和 Ti-22Al-27Nb 合金，其中，后者在室温及 650℃条件下的抗拉强度分别达到 1290 MPa 和 1260 MPa。Kumpfert 等人[38]详细研究了 Ti-22Al-25Nb 合金的相转变过程，揭示了相转变机理并同时确定了该合金的相变动力学。随后，Miracle 等人[39]绘制了 Ti-Al-Nb 三元系在 Ti2AlNb附近的相图。近年来，，关于 Ti2AlNb 合金的研究也取得了较大的突破。美国学者 Boehlert 等人[40-42]详细阐述了 Ti2AlNb 合金的冶炼、塑性变形、热处理等工艺以及相转变、组织织构演变、机械性能。俄罗斯学者 Shagiev 等人[43]运用等温锻造工艺制备了晶粒尺寸为 300 nm左右的亚微米尺寸 Ti2AlNb 基合金，其抗拉强度及室温延伸率可分别达到 1400 MPa 和 25 %。其中，在 850℃就具有超塑性能，促进了 Ti2AlNb 基合金应用。

空间结构,合金

图 1-3 Ti2AlNb 合金中三相的空间结构图[74]a) α2相, b) B2 相, c) O 相Fig. 1-3 Crystal structure of three phases in Ti2AlNb alloys[74]a) α2phase, b) B2 phase, c) O phase
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TF125.22

【参考文献】