高温固态置氢TiAl合金组织演化及高温变形行为

发布时间：2018-05-08 06:12

  本文选题：TiAl合金 + 固态置氢　； 参考：《哈尔滨工业大学》2017年博士论文

【摘要】：TiAl合金由于其低密度、高比强度以及优异高温抗氧化性能和断裂韧性,在航空航天、汽车领域具有广阔的应用前景。TiAl合金较低的室温塑性、较高的变形抗力及较窄的热加工窗口严重限制了其发展及应用。固态置氢技术是将氢作为临时性元素来改善钛合金组织和热加工性能的新工艺,而不引起合金成分的改变。由于TiAl合金主要由γ相构成,导致TiAl合金吸氢量较低,限制了固态置氢技术在TiAl合金中的应用。高温下TiAl合金主要发生α2+γ→α+γ→α→α+β等一系列转变,而α相和β相的吸氢能力大于γ相,因此本文提出了TiAl合金固态置氢新思路,即在TiAl合金相变区间内进行固态置氢。TiAl合金在温度场和氢气氛双重作用下的组织演化及固态相变将更加复杂,同时也将对TiAl合金高温流变行为产生重要影响。本文将针对这些方面展开深入研究。首先对二元TiAl合金、高Nb-TiAl合金及beta-gama TiAl合金进行微观组织观察、XRD物相分析以及相变点确定。通过调整Al含量,控制TiAl合金中α2相和γ相体积分数;通过添加不同含量的β相稳定元素,控制TiAl中B2相的体积分数。根据Tα温度,选取TiAl合金置氢温度,使置氢温度位于TiAl合金不同相区,如(α2+γ)相区、(α+γ)相区、(α+γ+β)相区和单相α相区等,研究此温度下TiAl合金的吸氢行为。研究了低温(300 500℃)高压(0.1-13MPa)下TiAl合金的吸氢行为,合金吸氢速率随着温度的升高而提高,合金在50s以内基本完成吸氢。合金吸氢量随氢分压、置氢温度及α2相和B2相体积分数的提高而增加。在300-500℃和8MPa下,氢在TiAl合金中的扩散系数为4.28×10-4 8.76×10-4cm2/s。高压置氢后,氢并未对TiAl合金微观组织产生明显的影响,一方面由于置氢温度较低,合金并未发生组织和相转变;另一方面氢固溶于合金中,且并未形成氢化物。研究了高温(1100-1420℃)常压下TiAl合金的吸氢行为,合金的吸氢量随着置氢温度、氢流量、置氢时间、α2相和B2相体积分数的提高而增加。在1420℃下置氢60min,Ti-44Al-6Nb-1Cr-2V合金吸氢量可达0.126 wt.%。通过曲线拟合获得氢在TiAl合金中溶解热,其随着Ti含量增加而提高,添加β相稳定元素降低了氢在TiAl合金中的溶解热。正的溶解热表明TiAl合金吸氢是一个吸热反应。对高温固态置氢TiAl合金的微观组织进行观察,在(α+γ)两相区固态置氢后,氢增大合金的片层团尺寸和片层间距;氢促进片层向γ相转变,促进块状γ相形成;氢能够抑制B2相分解和稳定B2相。在单相α相区固态置氢后,形成光滑平直的片层团晶界,归因于氢降低界面能和γ相生长驱动力;氢促进γ相形核,细化片层间距。氢能够降低TiAl合金Tα转变温度,从热力学的角度证实氢能促进片层向γ相转变。利用Gleeble热模拟实验机研究了在1100-1250℃和0.001 1s-1热变形条件下,氢对二元TiAl合金、高Nb-TiAl合金及beta-gama TiAl合金高温流变行为的影响。实验结果表明,合金的流变应力随着变形温度的升高、应变速率的降低以及氢含量的增加而降低。在相同变形条件下,beta-gama TiAl合金峰值应力更低。置氢后,TiAl合金的峰值应力最大降低40%,变形温度降低50℃。建立了置氢TiAl合金热变形本构方程和热加工图,未置氢和置氢Ti-44Al-6Nb合金的热变形激活能分别为Q=485.7kJ·mol-1和Q=382.9k J·mol-1;未置氢和置氢合金的热加工窗口分别为:1200℃和0.01s-1,1150 1200℃和0.1 0.01s-1,固态置氢拓宽了TiAl合金的热加工窗口。在较低变形温度下(1100℃)TiAl合金主要发生片层弯曲和拉长协调变形,在片层团晶界处发生少量动态再结晶。动态再结晶随程度着变形温度的升高、应变速率的降低及氢含量的增加而提高,且热变形组织呈带状形貌。动态再结晶、位错运动以及B2相协调变形是TiAl合金主要的高温软化方式。氢促进TiAl合金动态再结晶和位错运动以及氢提高B2相体积分数是氢致TiAl合金高温软化机制。
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本文编号：1860272