Ti-Al復(fù)合粉末鍛造成形與反應(yīng)燒結(jié)工藝研究.pdf

1、TiAl基合金因具有比剛度高、比強(qiáng)度高、耐氧化和抗蠕變性能好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。但TiAl基合金因其固有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，室溫塑性差，且高溫變形抗力大，使其極難進(jìn)行塑性加工，限制了該材料的工程應(yīng)用，制約了其實(shí)用化。為了克服TiAl基合金塑性加工困難，獲得高致密度、低成本和形狀復(fù)雜的高性能TiAl材料零件，本文提出Ti/Al復(fù)合粉末鍛造與反應(yīng)燒結(jié)相合的新工藝。該工藝的特點(diǎn)是利用Al、Ti混合物材料的塑性較好，易于塑性加工的

2、特點(diǎn)，將所得的Ti/Al復(fù)合粉末坯料進(jìn)行鍛造，再經(jīng)反應(yīng)燒結(jié)從而獲得高密度燒結(jié)構(gòu)件，有效地避免了TiAl基化合物加工困難這一難題。針對(duì)該工藝，本文著重進(jìn)行了以下幾方面研究。
　　研究了Ti/Al復(fù)合粉末坯料的制備工藝。通過(guò)對(duì)不同工藝燒結(jié)后Ti/Al復(fù)合粉末坯料進(jìn)行組織觀察，揭示 Ti/Al粉體坯料在不同燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間下組織演變規(guī)律。對(duì)各個(gè)條件下的坯料進(jìn)行熱壓縮實(shí)驗(yàn)，研究了具有不同組織坯料的成形性能，結(jié)果表明，Ti/Al復(fù)合粉末坯

3、料的變形是由顆粒的彈塑性變形和顆粒間的滑移轉(zhuǎn)動(dòng)綜合作用的，且經(jīng)溫度450℃，保溫2小時(shí)燒結(jié)后得到的坯料成形性能最佳。
　　通過(guò) Ti/Al復(fù)合粉末坯料在溫度300~600℃，應(yīng)變速率0.1~0.001s-1范圍內(nèi)的熱壓縮模擬試驗(yàn)，研究了變形溫度、應(yīng)變速率、相對(duì)密度對(duì)流變應(yīng)力的影響規(guī)律；綜合考慮壓縮試樣裂紋出現(xiàn)及其內(nèi)部顆粒偏聚情況，Ti/Al復(fù)合粉末材料鍛造時(shí)，應(yīng)選在溫度為400℃以上，應(yīng)變速率小于0.01s-1條件下進(jìn)行鍛造成形，

4、且變形量不宜過(guò)大。基于熱壓縮試驗(yàn)結(jié)果，建立了Ti/Al粉末體材料的本構(gòu)方程，并制作了其熱加工圖，初步確立了其最佳鍛造工藝參數(shù)，為后續(xù)的粉末鍛造提供了參考依據(jù)。
　　研究了Ti/Al復(fù)合粉末體坯在不同變形條件下的變形致密情況，結(jié)果表明， Ti/Al復(fù)合粉末材料在變形過(guò)程中易致密，其泊松比受相對(duì)密度、應(yīng)變速率和變形溫度的影響；研究了初始相對(duì)密度分布、摩擦、孔隙形狀、變形程度、變形溫度和應(yīng)變速率對(duì)變形致密的影響規(guī)律，表明增大摩擦、變形溫

5、度、變形程度和減小應(yīng)變速率能提高Ti/Al復(fù)合粉末體坯的致密化效果；根據(jù)Ti/Al復(fù)合粉末單向壓縮斷裂情況及其斷裂極限圖，確定了其最佳變形工藝為500℃，0.001s-1；基于粉末材料的塑性理論，建立了與溫度和應(yīng)變速率有關(guān)的Ti/Al復(fù)合粉末材料屈服準(zhǔn)則，為粉末鍛造數(shù)值模擬提供了材料參數(shù)。
　　通過(guò)有限元方法對(duì)Ti/Al復(fù)合粉末預(yù)成型坯的壓制過(guò)程進(jìn)行了模擬，得到了預(yù)成型坯內(nèi)部相對(duì)密度分布情況，以及壓制力與平均相對(duì)密度的關(guān)系。根據(jù)模

6、擬結(jié)果，對(duì)Ti/Al復(fù)合粉末預(yù)成型坯進(jìn)行壓制實(shí)驗(yàn)獲得了后續(xù)鍛造所需的密度和尺寸合格的預(yù)成型坯。采用 ABAQUS軟件，對(duì)Ti/Al粉末體錐形零件鍛造過(guò)程進(jìn)行模擬，分析了相對(duì)密度、等效應(yīng)力場(chǎng)、等效應(yīng)變場(chǎng)的分布情況，并研究了摩擦系數(shù)、溫度、應(yīng)變速率對(duì)鍛造過(guò)程的影響，結(jié)果表明，Ti/Al粉末體錐形零件鍛造的最佳變形條件為500℃，0.001s-1，摩擦系數(shù)0.1。在該工藝條件下進(jìn)行粉末鍛造實(shí)驗(yàn)，制得了質(zhì)量合格的錐形粉末鍛件。
　　通過(guò)T

7、i、Al箔在不同條件下的反應(yīng)燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)的研究了Ti/Al在低溫和高溫?zé)Y(jié)條件下的反應(yīng)機(jī)理，結(jié)果表明：520℃~630℃范圍內(nèi)，Al未完全消耗時(shí)，Ti/Al反應(yīng)生成唯一的產(chǎn)物TiAl3；在630℃~900℃時(shí)，Ti/TiAl3擴(kuò)散反應(yīng)中間產(chǎn)物為T(mén)iAl2，在1050℃~1150℃時(shí)，Ti/ TiAl3擴(kuò)散反應(yīng)中間產(chǎn)物為T(mén)iAl2和Ti2Al5。根據(jù)反應(yīng)產(chǎn)物厚度與時(shí)間、溫度的關(guān)系，建立了TiAl3、TiAl金屬間化合物和總反應(yīng)層的動(dòng)力學(xué)

8、方程，推算出相應(yīng)的反應(yīng)激活能和動(dòng)力學(xué)指數(shù)，為反應(yīng)燒結(jié)制備TiAl金屬間化合物提供理論基礎(chǔ)。
　　研究了Ti/Al復(fù)合粉末在高能球磨過(guò)程中的顆粒形貌和組織結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。通過(guò)機(jī)械球磨和粉末鍛造方法制備一定層片距離和致密度的粉末鍛坯，對(duì)其進(jìn)行反應(yīng)燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)方程并分析了反應(yīng)燒結(jié)組織演變規(guī)律；通過(guò)高溫壓縮試驗(yàn)，研究了燒結(jié)態(tài)TiAl基合金的力學(xué)性能，揭示了球磨時(shí)間、燒結(jié)工藝參數(shù)對(duì)其屈服強(qiáng)度的影響；球磨5h的Ti/Al復(fù)合粉經(jīng)粉末鍛