高鈮TiAl基合金熱處理組織演化與性能研究.pdf

1、γ-TiAl基合金是一種理想的輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強度高、比剛度高、高溫性能好、良好抗氧化和耐蝕性等優(yōu)點，使用溫度高達(dá)700~1000℃，應(yīng)用于航空、航天及船舶等領(lǐng)域。但是，由于其室溫塑性差、難加工成形和高溫抗氧化性能差等限制了它的廣泛應(yīng)用。本課題是在原有TiAl基合金的基礎(chǔ)上，添加較高含量（6~8 at.％）的Nb元素，并添加了Cr、Mo、W、B、Si等合金元素，通過均勻化處理和循環(huán)熱處理使材料在固態(tài)轉(zhuǎn)變過程中形成細(xì)小均勻

2、的片層組織，從而改善TiAl基合金的室溫脆性和高溫抗氧化性。本論文研究了合金成分和熱處理工藝對組織和性能的影響，研究了合金的熱處理組織演化、力學(xué)性能、抗氧化性能和耐腐蝕性能。
　　采用真空非自耗鎢極氬弧熔煉爐制備高鈮TiAl基合金鑄錠，顯微組織分析表明：合金主要是由α2/γ片層組織組成，沿晶界和晶內(nèi)析出少量的γ相和B2相，鑄態(tài)組織中存在成分偏析，組織不均勻。通過改變加熱溫度、保溫時間、冷卻方式、循環(huán)次數(shù)等參數(shù)的均勻化熱處理和循環(huán)熱

3、處理，觀察合金顯微組織與硬度變化，優(yōu)化后的熱處理為：首先做隨爐加熱至1200℃，保溫24 h，空冷的均勻化處理；然后做快速加熱至1150℃，保溫4 h，空冷，循環(huán)3次的循環(huán)熱處理。熱處理后，合金的片層晶團(tuán)和片層組織得到明顯的細(xì)化，組織均勻化，γ相含量升高，α2相和B2相含量降低。同時，Cr元素可以細(xì)化晶粒，促進(jìn)相的析出；Mo元素能細(xì)化片層組織和析出相，但不能促進(jìn)相的析出。
　　本論文研究了成分和熱處理工藝對合金力學(xué)性能的影響。鑄錠

4、經(jīng)過熱處理后，合金的硬度下降約5~10 HRC，有利于改善合金的塑性和韌性。常溫壓縮實驗表明：材料均為脆性斷裂，同時加入2 at.%Cr和2 at.%Mo的合金的彈性模量較高，斷裂強度適中，屈強比較低，壓縮率較低，表明合金的強度、剛度和室溫塑性配合的較好。高溫壓縮實驗表明：材料呈現(xiàn)一定的塑性，同時加入2 at.%Cr和2 at.%Mo的合金的彈性模量、斷裂強度、塑性均最佳。同樣，該合金的硬度為41.1 HRC，也處于一個較高的水平。綜合

5、以上分析， Ti-45Al-6Nb-2Cr-2Mo-0.5W-0.8B-0.2Si合金的力學(xué)性能最好。
　　本論文研究了成分對熱處理后的合金的高溫氧化性能和海水腐蝕性能的影響。高溫氧化實驗表明：當(dāng)加熱溫度為800℃、空氣氣氛、氧化時間小于200 h，未加入Cr、Mo元素的合金的抗氧化性要優(yōu)于其它合金；隨著氧化時間延長，單獨添加4 at.%Cr的合金和同時添加2 at.% Cr、2 at.% Mo的合金的氧化動力學(xué)曲線趨于平緩，有利

6、于進(jìn)一步保護(hù)合金不被氧化；合金的氧化膜平整均勻，未出現(xiàn)瘤狀物或開裂，有多層膜組成，合金的平均氧化膜厚度可達(dá)到3.0μm；在Ti3O、TiO2、(Al0.9Cr0.1)2O3和AlO氧化膜的聯(lián)合作用可以較好地保護(hù)材料不被進(jìn)一步氧化。海水腐蝕實驗表明：根據(jù)動電位極化曲線和電化學(xué)阻抗譜來綜合評定合金的耐蝕性，可以得到添加2 at.% Mo有利于最大程度地提高合金的耐蝕性，同時添加2 at.%Cr、2 at.%Mo也可以較好的提高合金的耐蝕性。