Ti-45Al-10Nb合金的粉末冶金法制備與組織性能研究.pdf

1、TiAl基合金是一種輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料，具有低密度、高比強(qiáng)度、高比剛度、優(yōu)異的高溫抗蠕變和抗氧化能力等優(yōu)點(diǎn)，在汽車及航空航天領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。高鈮含量TiAl合金作為TiAl基合金的發(fā)展典范，是當(dāng)前TiAl基合金研究的熱點(diǎn)之一。然而，高鈮TiAl合金鑄錠制備困難，且難加工成形，極大的限制了其廣泛應(yīng)用。本文采用元素粉末冶金工藝制備了成分為Ti-45Al-10Nb(at.％)的高鈮TiAl合金，對(duì)機(jī)械球磨、真空熱壓燒結(jié)、等溫鍛造、熱處理

2、等工藝以及所得材料的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　采用機(jī)械球磨法成功制備了細(xì)晶 Ti-45Al-10Nb復(fù)合粉末，揭示了球磨過程中粉末形貌、粒徑、元素分布隨球磨時(shí)間的演變規(guī)律，并對(duì)球磨10h粉末的晶體缺陷，不同球磨時(shí)間的復(fù)合粉末物相組成、晶粒尺寸、顯微硬度進(jìn)行了分析，最后對(duì)復(fù)合粉末的熱穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，隨著球磨時(shí)間的增加，Ti-45Al-10Nb復(fù)合粉末顆粒尺寸先增大后變小，并逐漸趨于等軸化，粒度及晶粒尺寸逐漸

3、細(xì)化，粒度分布范圍變窄，但整個(gè)球磨過程中未形成新相。球磨8h的復(fù)合粉末顯微硬度值最高，達(dá)到870HV。對(duì)10h球磨粉末熱分析表明：加熱過程中在低溫463~677℃及高溫1200～1350℃區(qū)間分別存在兩個(gè)放熱峰和吸熱峰，這分別與粉末在加熱過程 Al的融化及Ti-Al金屬間化合物的形成與相轉(zhuǎn)變有關(guān)。
　　對(duì)球磨10h的Ti-45Al-10Nb復(fù)合粉末采用真空熱壓燒結(jié)工藝進(jìn)行固結(jié)致密，制備塊體合金，對(duì)不同燒結(jié)工藝下制備的合金組織及力學(xué)

4、性能進(jìn)行了分析，同時(shí)研究了燒結(jié)態(tài)合金的熱變形行為。不同燒結(jié)工藝條件下制備的Ti-45Al-10Nb合金塊體均由γ-TiAl、α2-Ti3Al和Ti2AlC三相組成。隨著燒結(jié)時(shí)間的增加或保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，Nb元素逐漸固溶于TiAl基體組織中，且分布更均勻。Ti-45Al-10Nb合金基體組織的晶粒隨燒結(jié)溫度的升高逐漸長(zhǎng)大，當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到1350℃時(shí)，產(chǎn)生粗大片層晶團(tuán)。Ti2AlC陶瓷相有細(xì)化 Ti-45Al-10Nb合金組織、提高燒結(jié)合金強(qiáng)

5、度的作用。燒結(jié)態(tài) Ti-45Al-10Nb合金展現(xiàn)出高強(qiáng)度和低塑性，這與 Nb元素的固溶及Ti2AlC相的形成等組織特征有關(guān)。最后，建立了燒結(jié)態(tài) Ti-45Al-10Nb合金熱變形本構(gòu)方程，為后續(xù)制定塑性加工工藝提供指導(dǎo)。
　　對(duì)燒結(jié)態(tài) Ti-45Al-10Nb合金進(jìn)行等溫鍛造，成功制備了優(yōu)質(zhì)的Ti-45Al-10Nb合金鍛坯。Ti-45Al-10Nb合金的鍛態(tài)組織由細(xì)小的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒及少量殘余片層組成，再結(jié)晶晶粒平均尺寸約為1

6、0μm。不同區(qū)域再結(jié)晶程度不同，鍛塊心部發(fā)生了完全再結(jié)晶，而沿著直徑方向，再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，剩余片層晶團(tuán)含量逐漸增加，這與變形過程中鍛塊不同區(qū)域的變形量及所處應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。采用中間停留保溫的兩步鍛造工藝有利于提高鍛態(tài)合金中再結(jié)晶組織的含量。相對(duì)于燒結(jié)態(tài)合金，鍛態(tài) Ti-45Al-10Nb合金顯示出了更優(yōu)異的力學(xué)性能，其室溫延伸率達(dá)到0.7%，強(qiáng)度為929MPa；900℃時(shí)，拉伸應(yīng)變達(dá)到30.87%，是燒結(jié)態(tài)的2.5倍多。在1000

7、℃/1×10-5s-1條件下拉伸時(shí)，鍛態(tài) Ti-45Al-10Nb合金表現(xiàn)出了超塑性，工程應(yīng)變達(dá)到173%，變形過程中孔洞的產(chǎn)生及橫向連接，導(dǎo)致了超塑性變形試樣的斷裂。
　　研究了鍛態(tài) Ti-45Al-10Nb合金的熱處理工藝，得出了不同組織的熱處理制度，并研究了組織與力學(xué)性能的關(guān)系。鍛態(tài) Ti-45Al-10Nb合金在α單相區(qū)熱處理時(shí)(高于1320℃)可以得到全片層組織，熱處理溫度對(duì)片層晶尺寸影響較大，而保溫時(shí)間影響較?。辉讦?

8、+γ兩相區(qū)熱處理時(shí)，很難得到雙態(tài)組織，雙態(tài)組織的獲得需經(jīng)過在α相區(qū)及α2+γ相區(qū)采用兩步熱處理的工藝實(shí)現(xiàn)。鍛態(tài)Ti-45Al-10Nb合金的組織穩(wěn)定性是由于Nb元素的固溶提高了γ相的高溫穩(wěn)定性。與鍛態(tài) Ti-45Al-10Nb合金相比，熱處理后具有全片層組織和雙態(tài)組織的Ti-45Al-10Nb合金強(qiáng)度優(yōu)于鍛態(tài)合金的，但三者塑性隨組織變化無明顯變化；具有等軸晶組織的Ti-45Al-10Nb合金表現(xiàn)出優(yōu)異的塑性，950℃下達(dá)到42.5%。片

9、層晶團(tuán)的含量對(duì) Ti-45Al-10Nb合金的斷裂韌性的影響最大，所有組織類型中，全片層組織斷裂韌值最高，為14.6MPa·m1/2。
　　研究了鍛態(tài) Ti-45Al-10Nb合金在850℃、900℃、950℃時(shí)的高溫氧化行為，氧化時(shí)間最長(zhǎng)為192h，主要對(duì)合金氧化層表面形貌、相組成、氧化層剖面形貌及氧化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究。Ti-45Al-10Nb合金的高溫抗氧化能力與其氧化層中緊靠基體組織區(qū)域是否形成連續(xù)致密的Al2O3層有直接關(guān)