稀土元素La对粉末冶金TiAl合金组织和性能影响的研究

发布时间：2020-05-26 16:51

【摘要】：TiAl基合金密度低,具有较高的比强度和比弹性模量,在高温时仍可保持足够高的强度和刚度,同时具有良好的抗蠕变及抗氧化能力,这些优点使其成为航空用发动机及汽车耐热结构件最具竞争力的材料。采用粉末冶金法制备TiAl基合金不仅组织均匀而且可有效避缩松、缩孔以及成分偏析等铸造缺陷。一直以来,稀土元素都被当作黑色和有色金属的强化剂,它的加入不仅可以细化晶粒,还可以净化基体从而提高材料的力学强度。本文利用合金Ti48Al2Cr2Nb粉末、稀土La粉末,通过热等静成功烧结制备了不同含La量的Ti48Al2Cr2Nb-x La(x=0,0.1,0.3,0.5,0.7,1.5)(at.%)合金,并系统分析了La含量对合金的显微组织及各项力学性能(硬度、压缩、三点弯曲、拉伸、断裂韧性)的影响。研究发现Ti48Al2Cr2Nb-xLa合金可以在1150℃,4h下通过热等静压烧结成功,其组织主要由等轴γ相以及分布在晶界少量细小α_2相组成的等轴近γ组织,富La的第二相主要存在于原始合金颗粒的周围。经过1420℃,保温时间2h后,合金组织转变为α_2+γ全片层组织。元素La加入后可以有效的控制合金的晶粒度,但La含量达到0.3at%后,其细化晶粒的作用不明显。当La添加量很少(小于0.3at%)时,富La第二相以细小弥散的形式存在于合金的晶界和晶团片层内部。当La添加量超过0.5at%时,富La第二相以网状和大块状存在于晶团边界,且在其周围存在一些孔洞。通过XRD以及EDS分析,得出了富La的第二相主要由LaAlO_3以及少量La_2O_3构成。La的掺杂首先会夺取合金内的O,不仅净化了基体,而且形成的LaAlO_3以及La_2O_3相还可以起细化晶粒和弥散强化作用,使得合金的抗压强度,三点弯曲强度、拉伸强度得到了一定的提升,且在La添加量为0.3at%时提升效果最明显。但是过量的加入La会由于网状分布和大块状的富La第二相存在,导致性能下降。适量La的添加虽然给合金带来强度上的提高,但也给某些性能带来损害。比如:随着La含量的增加,合金的硬度和韧性下降。
【图文】：

工艺流程图,合金制备,工艺流程图,铸锭冶金

别下 TiAl 合金的组成以及制备工艺。通过合金化和组织控制，材普遍提高[4-6]。经过几十年的对 TiAl 合金的研究，如今 TiAl 合金的应用已取得TiAl 合金制造叶片不仅满足使用上的要求，而且实现了轻量化，G研制的 CEnx 发动机低压涡轮第 6，7 级叶片就采用了铸造 TiA镍基高温合金减少了发动机的质量。我国于二十世纪七十年代才的研究，经过我国科研人员的不断努力，成功开发出了 TC11，TA1的高温合金，并成功应用于 WP13，，WP14 以及 WS11 航空发动机[7-9]。 TiAl 合金的制备方法制备 TiAl 合金的主要工艺方法有以下几种：铸锭冶金、铸造以法主要如图 1-1 所示：铸锭冶金粉末冶金铸造法

元素粉末,反应合成

重偏析）和微观偏析（比如枝晶偏析），这种偏析在后续的热处理（包括热等静压及热变形（包括热锻和热挤压）过程中（也不能完全消除这些缺陷。因此如何解些问题有很重要的意义。.2.2 粉末冶金粉末冶金是以单质或合金粉末为原料，经烧结就可得到所需形状的 TiAl 基合金。与传统铸造法相比，粉末冶金的主要优势在于：没有了铸造的疏松、缩孔等缺陷且得到的合金组织更均匀，晶粒更细小，力学性能更优越。另外，采用粉末冶金于合金元素，强化相的添加，最重要的是它还可以实现近净成型，从而避免了后机械加工，既提高了效率也节约了成本。目前粉末冶金的主要方法有：元素粉末法和预合金粉末烧结法[14-16]。元素烧结法即是将 Al 粉、Ti 粉以及其他添加相粉末先经固结加工成型，最后在以及一定压力下将粉末转变成 TiAl 合金组织。其反应过程如图 1-2 所示[17-18]：
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TF125.22

【参考文献】