粉末冶金超细晶γ-TiAl基合金的制备及高温压缩性能研究

发布时间：2020-11-07 14:35

　　 TiAl基金属间化合物兼顾金属的塑性、陶瓷的高温强度,又具有低于4.5kg/cm3的密度、远高于传统高温合金的高温比强度、高温抗氧化性和耐腐蚀性,在航空航天、汽车、石油等领域具有广泛的应用前景,但其室温脆性大、延性低严重阻碍了它的发展。因此,解决TiAl金属间化合物材料加工成形困难,获得组织成分均匀、致密度高的高性能构件,会极大地促进TiAl合金在航空、航天等领域的应用,也会为新材料的研制和开发提供新的思路和方法。本文针对成分为Ti-45Al-8Nb、Ti-45Al-10Nb和Ti-45Al-12Nb三种合金粉末,采用高能球磨方法获得纳米级超细粉末,经真空热压烧结,获得了双相等轴状γ-TiAl和α2-Ti3Al超细合金组织。主要探究粉末冶金方法制备的Ti-45Al-xNb(x=8、10、12)超细晶合金在高温变形过程中真应力-应变特点和组织演化规律,并研究了该合金在热变形过程中组织界面处形成的错配结构、界面结合的位向关系以及形变发生时最优取向。研究结果表明:(1)Ti-45Al-8Nb、Ti-45Al-10Nb和Ti-45Al-12Nb三种成分混合粉末经25h高能球磨,粉末颗粒度达到纳米级,随着合金元素Nb含量的增加,细化效果越来越明显,说明Nb元素可以提高粉末细化强度;合金粉末在细化的同时有Ti3Al、TiAl3和Ti3Al5新相的生成,实现了复合粉末的合金化。(2)Ti-45Al-8Nb、Ti-45Al-10Nb、Ti-45Al-12Nb三种球磨后超细粉末经高温真空热压烧结都获得的γ-TiAl和α2-Ti3Al双相超细等轴状合金组织,合金基体尺寸都介于100~200nm,α2-Ti3Al颗粒达到纳米级,Ti-45Al-8Nb致密度最高为90.93%。(3)Ti-45Al-8Nb、Ti-45Al-10Nb和Ti-45Al-12Nb三种成分的TiAl基合金对温度和应变速率都比较敏感,形变温度越高,应变速率越慢,峰值流变应力越小。在相同变形条件下Ti-45Al-10Nb的流变应力最大,Ti-45Al-12Nb的最小,对比三种合金Ti-45Al-10Nb的加工硬化能力更强。(4)Ti-45Al-12Nb合金在1100-1200℃/0.01-0.0001s-1热变形条件下,Ti-45Al-12Nb合金应变敏感系数m为0.61,高温变形激活能Q值为496kJ·mol-1,建立了该合金经粉末冶金(机械球磨+真空热压烧结)制备超细晶TiAl双相合金的高温热变形本构方程为:34.54 1.65ε0.039)[sinh( ?] ex(-?496000 RTe)p /.(5)Ti-45Al-8Nb合金高温变形后的组织晶粒主要以位错的滑移和孪生方式变形,晶粒以旋转、弯曲、伸长开启变形,晶界处存在一些位错网,且在高温变形中,γ/γ、α2/γ和α2/α2界面不同于层片状γ-TiAl、α2-Ti3Al双相合金中界面中存在固定的位向关系。γ/γ之间更易形成以(001)晶面为对称的孪晶,α2/γ和α2/α2界面间更易形成超点阵的位错结构,本实验发现变形合金中还存在?1110?α2/?111?γ和(1220)α/(1220)α的大角度晶界。
【学位单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TF125.22
【部分图文】：

这些都是导致γ-TiAl 基合金呈现很大室温脆性的原因。α2-Ti3Al 是六方 DO19点阵结构(如图1.1b)，具有比γ-TiAl 基合金更好的塑性，但服役温度较γ-TiAl 低 200℃左右。然而，γ-TiAl 基合金比α2-Ti3Al 具有更大的优势，γ-TiAl 具有更低的密度，工作温度更高，高温抗氧化性更强，γ-TiAl 基合金拥有与镍基合金相当的抗蠕变性能和抗氧化性[20]。图 1.1 γ-TiAl 和α2-Ti3Al 晶体结构示意图1.2.3 TiAl 基合金的显微组织不同的热加工工艺和不同的热处理方法能获得具有不同显微组织的γ-TiAl 基合金，实际上γ-TiAl 基合金是双相组织，基体为等轴状的γ-TiAl 相

图 1.1 γ-TiAl 和α2-Ti3Al 晶体结构示意图1.2.3 TiAl 基合金的显微组织不同的热加工工艺和不同的热处理方法能获得具有不同显微组织的γ-TiAl 基合金，实际上γ-TiAl 基合金是双相组织，基体为等轴状的γ-TiAl 相，还有少量的α2-Ti3Al相。根据相含量不同，显微组织呈现近γ组织(NG)、双态组织(DP)、近层片组织(NL)和全层片组织(FL)四种不同类型[21](如图 1.2)。近γ显微组织是由全部的等轴状γ相或者是由大部分的等轴状γ相和分布在γ晶界处的少量α2相组成的，这种组织可由 TiAl 基合金从高于共析温度缓慢冷却到室温而获得[22]。双态显微组织是由等轴状的γ晶和(α2/γ)层片晶团组成，当热处理的温度在(α2+γ)两相区内时，且两种相体积分数相当时?

高温下表现出很高的强度，而增加铝含量，合金的耐蚀性随之增强。图 1.3 钛-铝二元相图1.3 TiAl 基合金的制备工艺为了制备出符合各种性能要求的钛材料，需要采用常规的成形加工方法，将原材料或半成品材料制备成最终成品。钛材料生产成本非常高，所以研制最佳加工路线，最大程度降低生产成本成了人们的必然选择。近净成形加工工艺能很大程度的减小加工成本，增加材料利用率，具有近净成形能力的常规制备 TiAl 基合金的方法主要有铸造(Casting)、铸锭冶金(Ingot Metallurgy/IM)和粉末冶金(Powder Metallurgy/PM)技术。图 1.4 为三种 TiAl 基合金制备工艺路线。1.3.1 铸造(Casting)最典型的近净成形工艺技术就是铸造。从原始坯料到成品零件这一制备过程中会产生许多废屑，对价格昂贵的钛合金，铸造技术不仅能节约材料，降低成本，而且还能减少其它的后续加工过程。相对于其他制备复杂且成本很高的工艺方法，铸造技术常能低价制备出形状复杂的产品。传统铸造钛合金已经是一门比较成熟的工艺，铸造γ-TiAl 基合金已经用于代替航空用钛合金和镍基高温合金。常用的铸造过程有熔模铸造和金属膜铸造，熔模铸造主要用于形状复杂 TiAl 基合金的制备，航空和民用工业的高性能零件、发动机上静止零件、压
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本文编号：2874079