超細晶Ti-Al-Nb合金的制備及性能研究.pdf

1、TiAl基合金的特性是比強度高、耐高溫，其潛在的應(yīng)用前景非常廣。但是由于該材料的脆性較大，延展性差，在承受外界應(yīng)力的作用下沒有屈服和應(yīng)力強化，極易斷裂，使得加工和應(yīng)用受到很大的限制。就目前的研究結(jié)果來看，納米晶具有明顯改善材料塑性、韌性的優(yōu)點，但是，作為金屬結(jié)構(gòu)材料，要獲得全納米尺度的TiAl基合金塊體目前還很難實現(xiàn)。本文采用粉末高能球磨以及放電等離子燒結(jié)和高溫真空燒結(jié)方法合成納米晶α2-Ti3Al相及超細晶的等軸狀γ-TiAl雙相合金

2、，并針對燒結(jié)組織及其高溫抗氧化性進行研究，獲得最佳的燒結(jié)工藝及合金成分。
　　采用單元素法配制了TiH2-47Al-0.2Si-5Nb(at.％)，TiH2-47Al-0.2Si-7Nb(at.％)，TiH2-47Al-0.2Si-5Nb-2.38Co(at.％)和TiH2-47Al-0.2Si-7Nb-2.43 Co(at.％)四種成分的合金粉末。首先利用雙罐三維擺動式高能球磨機分別對四種粉末進行12h和24h的長時間球磨，然后

3、將球磨12h和24h的粉末進行高溫放電等離子燒結(jié)（燒結(jié)溫度1000℃）和真空燒結(jié)（燒結(jié)溫度1200℃）。利用差示掃描熱量計進行高溫連續(xù)循化氧化實驗，氧化等溫溫度為1000℃;利用X-射線衍射儀分析燒結(jié)組織的相特征，利用掃描電鏡、透射電鏡分析球磨過程的相特征;利用高分辨透鏡分析燒結(jié)組織及其界面狀態(tài)等。研究結(jié)果表明:(1)合金粉末經(jīng)高能球磨后獲得納米級粉末顆粒，粉末中Nb含量的增加，有助于粉末的細化，同時球磨過程中Nb與H結(jié)合，有利于TiH

4、2中Ti的還原和Ti、Al間化合物的形成。與未添加Co粉的粉末相比，含有Co粉的粉末團聚現(xiàn)象比較嚴重，觀察到的粉末顆粒團尺寸稍大于未添加Co的合金粉末。球磨過程中，粉末不僅得到細化，而且由于粉末中產(chǎn)生了大量的缺陷或空位，實現(xiàn)了低溫化學反應(yīng)，出現(xiàn)Ti2Al和TiAl新晶相，達到機械合金化的效果。
　　(2)四種成分的球磨粉末分別采用放電等離子燒結(jié)和真空燒結(jié)工藝，均形成了γ-TiAl為基的等軸狀、超細的TiAl相和納米級Ti3Al雙相

5、組織。說明決定這種組織狀態(tài)的主要因素不是燒結(jié)工藝方式，而是粉末球磨細化和機械合金化。由于粉末的細化，形成了多個晶核，因而燒結(jié)后形成的晶粒低于常規(guī)方法獲得的組織晶粒度。TiAl形成了等軸晶粒，平均低于＜500nm，晶粒相互緊密連接形成大量、穩(wěn)定的三叉晶界。這種組織晶界角度較大，晶界平直，在高溫環(huán)境中不易生長，說明粉末在很短的時間內(nèi)就完成了燒結(jié)過程。
　　(3)通過對TiAl基合金組織進行高溫循環(huán)氧化測試，結(jié)果表明燒結(jié)組織在1000℃

6、以下，沒有發(fā)生相變反應(yīng)。這表明γ-TiAl及納米級Ti3Al合金組織是一種相對穩(wěn)定的組織狀態(tài)，這種組織一旦形成，當溫度反復(fù)再次升高至高溫狀態(tài)時，仍保持原有穩(wěn)定狀態(tài)，即使是納米級顆粒也不會發(fā)生長大現(xiàn)象。相比較，等離子放電燒結(jié)工藝更有利于制備具有高密度TiAl合金組織。
　　(4)燒結(jié)組織在純氧環(huán)境中經(jīng)多次的高溫循環(huán)氧化結(jié)果顯示，氧化增重很少，其高溫抗氧化性很好。第一個循環(huán)的升溫階段氧化增重比較明顯，而隨后的多次循環(huán)氧化增重量很小。相