鈦鋁基合金的高溫力學(xué)性能研究.pdf

1、鈦鋁基合金具有短程有序和長程無序的結(jié)構(gòu)特征，從而使其兼具金屬的塑性和陶瓷的高溫強(qiáng)度，同時(shí)具有較低的密度、高溫比強(qiáng)度、高溫抗氧化性和耐腐蝕性能。與超合金和傳統(tǒng)鈦合金相比，它具有在高溫條件下（800～900℃）使用的巨大優(yōu)勢，被廣泛地用于航空航天、船舶和汽車等領(lǐng)域。但室溫延性低阻礙了鈦鋁基合金的發(fā)展和應(yīng)用。粉末冶金在鈦鋁基合金的制備方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，既能細(xì)化晶粒，也能減少偏析等鑄造缺陷，同時(shí)配合高溫成形工藝從而為解決鈦鋁基合金鑄造質(zhì)量差和

2、室溫難以成形等問題提供了一條新思路。本論文從細(xì)晶的角度出發(fā)，采用粉末冶金制備超細(xì)晶鈦鋁基合金，再通過高溫力學(xué)性能測試，研究溫度和應(yīng)變速率對粉末冶金制備超細(xì)晶鈦鋁基合金組織和力學(xué)性能的影響。
　　首先采用高能球磨制備Ti-45Al-5Nb(at.％)納米級(jí)合金粉末，球磨速度為550r/min，球磨時(shí)間為50h。球磨后粉末進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1200℃，壓力為30MPa，保溫保壓1h。
　　利用掃描電鏡、透射電鏡、X-射

3、線衍射儀對球磨粉末及燒結(jié)塊體進(jìn)行組織及相分析，利用高溫電子萬能試驗(yàn)機(jī)（DDL50型）和熱模擬試驗(yàn)機(jī)(Gleeble1500)對鈦鋁基合金進(jìn)行高溫拉伸和高溫壓縮性能測試。拉伸測試溫度范圍為950℃～1100℃，應(yīng)變速率為1×10-4s-1～5×10-5s-1。壓縮測試溫度范圍為1100℃～1200℃，應(yīng)變速率為1×10-2s-1～1×10-4s-1。研究分析結(jié)果如下：
　　（1）Ti-45Al-5Nb(at.%)成分的混合粉末經(jīng)25

4、h、40h和50h的高能球磨，粉末顆粒度小于500nm，球磨時(shí)間在5h～40h的范圍內(nèi)，粉末粒度由原始的50μm迅速細(xì)化到500nm以下，部分粉末已達(dá)到納米級(jí)，細(xì)化效果明顯且顆粒變得均勻，球磨50h的粉末出現(xiàn)了明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象；且合金粉末在細(xì)化的同時(shí)有TiAl、Ti3Al5新相的形成，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械合金化反應(yīng)。
　?。?）球磨25h、40h和50h的粉末燒結(jié)后的合金致密度分別為94.0%、96.4%和96.3%，經(jīng)過40h球磨的粉末燒結(jié)

5、合金組織較為均勻且細(xì)小，晶粒度在200nm左右；燒結(jié)組織均為TiAl和Ti3Al雙相等軸晶組織，TiAl相組織晶粒小于500nm，Ti3Al相組織晶粒在100nm以內(nèi)。
　?。?）Ti-45Al-5Nb（at.%）合金高溫壓縮時(shí)對變形溫度和應(yīng)變速率較為敏感，當(dāng)溫度一定時(shí)，流動(dòng)應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的減小而降低，當(dāng)應(yīng)變速率一定時(shí)，流動(dòng)應(yīng)力隨著溫度的增加而降低。當(dāng)溫度為1200℃，應(yīng)變速率為1×10-4s-1時(shí)，其峰值流動(dòng)應(yīng)力僅為30MPa

6、；燒結(jié)組織經(jīng)高溫壓縮后孔隙明顯減少，并隨著壓縮溫度的增高而降低，燒結(jié)組織的顯微硬度為1024.47HV，而壓縮后的硬度在1300HV以上，最大的硬度可達(dá)1435.5HV。
　?。?）Ti-45Al-5Nb（at.%）合金在高溫?zé)釅嚎s變形過程中，變形溫度、峰值流變應(yīng)力與應(yīng)變速率間滿足Arrhenius雙曲正弦關(guān)系，表明其高溫?zé)嶙冃问鞘軣峒せ羁刂频模?100-1200℃/1×10-2s-1~1×10-4s-1熱變形條件下，Ti-45

7、Al-5Nb合金應(yīng)變敏感系數(shù)m為0.55，高溫變形激活能Q值為623.298kJ·mol-1，Ti-45Al-5Nb合金在上述變形條件下的本構(gòu)方程為：ε=e41.69[sinh(0.019σ)]1.83exp(-623298/RT)
　?。?）Ti-45Al-5Nb(at.%)合金在高溫拉伸實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)溫度一定時(shí)，工程應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的減小而降低，當(dāng)應(yīng)變速率一定時(shí)，工程應(yīng)力隨著溫度的增加而降低，孔隙率與溫度和應(yīng)變速率之間也存在類似的