TiAl合金热处理过程中亚稳相形成机制研究

发布时间：2018-10-31 20:57

【摘要】：TiAl合金具有优异的比强度、高温抗氧化和抗蠕变性能,在航空航天领域具有广阔应用前景。TiAl合金优异的断裂韧性和蠕变性能与其组织中特殊的(α2+γ)层片团密切相关。经过几十年的发展,材料研究者逐步建立了 TiAl合金二元相图,TiAl合金高温相变理论逐步趋于完善,然而在高温双相区形成(α2+γ)层片团所涉及的相变仍存在一些争议。Denquin提出TiAl合金高温α→y形成层片团的相变过程存在亚稳FCC相,即α→FCC→γ逐步实现α相到γ相晶格结构和化学成分的转变。Denquin理论可准确解释TiAl合金层片团组织中各类实验现象,却一直未发现关键的亚稳FCC过渡相的存在。本文以传统铸造γ-TiAl合金、铸造高铌γ-TiAl合金和锻造β/γ-TiAl合金为实验材料,通过特殊热处理的方法首次发现了该亚稳FCC相,即Ll2-Ti3Al相,并确定Ll2相在三类典型TiAl合金中均存在。TiAl合金在800℃-1000℃特殊热处理的组织中会析出亚稳Ti2Al相,Ti2Al相也被认为是α/α2相与γ相之间的一种过渡相。全文系统研究了 α/α2相与γ相之间过渡亚稳L12相和Ti2Al相的析出位置、析出形貌、析出因素以及两种亚稳相的联系与区别,同时研究了三类典型TiAl合金不同热处理工艺下的组织性能和类Ti2Al相的亚稳相(αN相和γN相)的析出。研究了高铌γ-TiAl 合金(Ti-46Al-6Nb)和高铌β/γ-TiAl 合金(Ti-44.5Al-8Nb-2.5V)熔融态淬火和随后的850℃/5h退火过程的组织演变。首次在淬火γ相的退火组织中检测到FCC结构的亚稳L12-Ti3Al相,为Denquin高温相变理论中的亚稳FCC相。L12相形成机制为淬火γ相1/2[110]位置的Al原子被Ti原子取代,导致化学成分、晶格参数发生变化,最终形成L12相,L12相晶格参数α=b=c=0.3994nm。淬火 Ti-46Al-6Nb 合金和淬火 Ti-44.5Al-8Nb-2.5V 合金的退火组织中均有板条状L12相析出,二元γ-TiA1(Ti-47Al)的验证实验表明L12相的析出不是Nb、V元素的作用结果。L12←→γ相变反应为扩散型相变,相变速率对温度敏感,相变过程初始关系:(001)γ//(OO1)L12,[010]γ//[010]L12,[100]γ//[100]L12;L12←→α/α2相变过程由肖克莱不完全位错开动引起,为非扩散型相变,相变速率对温度不敏感,相变过程遵循位向关系:(0001)α2//{111}L12,1120α2//110L12。以往亚稳Ti2Al相均在800℃-1000℃特殊热处理的组织(淬火或高温变形)中观察到。本文系统对三类TiAl合金的常规热处理、循环热处理和特殊热处理后的组织展开分析,在上述热处理组织和TiAl合金铸态组织中均发现存在于α2相和γ相台阶面处的亚稳Ti2Al相,实现α2相与γ相晶格结构和化学成分的过渡,同时,特殊热处理组织中的γ相内还可观察到单独析出的Ti2Al相。Ti2Al相为(0001)α2和{111}γ密排面堆垛顺序发生周期性改变而形成,堆垛顺序为...AB'CBC'BCA...,晶格参数为α=0.301nm,c=1.431nm。分析表明α2相与γ相台阶面处晶格错配较大,且两相堆垛顺序不同,如果台阶面与宽面相垂直,则台阶面处必然存在亚稳Ti2Al相,实现α2相与γ相堆垛顺序和化学成分的过渡。分析表明,亚稳L12相和Ti2Al相均为α/α2相与γ相之间的过渡相,实现α/α2相与γ相在晶格结构和化学成分上的过渡。不同的是,L12相存在于α/α2相与 γ相的宽面处,在高温相变的过程中,L12相的位置不断推进从而实现γ片层在α相中的长大。而Ti2Al相存在于α2相和γ相的台阶面处,在层片团形成的过程中,γ相与α2相的台阶面由肖克莱位错塞积处L12相的逐层推动累积而形成;L12相在高温下存留时间很短,很难保留至室温,目前仅在淬火γ相的退火组织中观察到了L12相。而Ti2Al相则在TiAl合金典型组织中均存在,且在800℃-1000℃的特殊热处理工艺中,可在γ相中观察到单独析出的Ti2AI相;L12相在淬火丫相中形成,相变驱动力为淬火γ相中大量存在的反空位缺陷。而单独析出的Ti2AI相在大变形量丫相中形成,相变驱动力为γ相中高密度位错。研究了三类典型TiAl合金不同热处理工艺下组织性能及类Ti2Al亚稳相(定义为γN相和αN相)的析出。经多步热处理、热机械处理或循环热处理后的TiAl合金显微组织均得到明显细化,尤其是Ti-46Al-1Cr-2V合金组织经循环热处理后由毫米级粗大柱状晶转变为晶粒尺寸约为50μm的等轴晶,室温拉伸应变由0.6%提高至1.5%。γ-TiAl合金(Ti-46Al-6Nb)的淬火组织由块状转变γm相及块状αb相组成,而β/γ-TiAl合金(Ti-44.5Al-8Nb-2.5V)的淬火组织与γ-TiAl合金的淬火组织明显不同,由网篮状(βbv+αp)相和条状γs相组成。网篮组织中βbv相与αp相之间存在Burgers 位向关系:111βbv//1120αp,{110}βbv//(0001)αp,0110αp//[112]βbv。Ti-44.5Al-8Nb-2.5V合金特殊热处理组织中发现两种新的类似于Ti2Al相的亚稳相(αN相和γN相),αN相存在于α”相与αT”相台阶面处,由{O111}α”面堆垛顺序发生周期性改变而形成;γN相存在于γ相和γT相台阶面处,由{111}γ面堆垛方式由ABCA转变为AB'C'A而形成。
[Abstract]:......
【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】：2017
【分类号】：TG166.5;TG146.23

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本文编号：2303524