TiAl基合金的制備及高溫變形行為研究.pdf

1、TiAl基合金的難加工問題一直是制約其大規(guī)模應(yīng)用的主要原因。本文將三種采用不同工藝制備的TiAl基合金進行對比研究，通過分析其高溫變形流變曲線、材料常數(shù)(如形變激活能等)，結(jié)合其相應(yīng)組織的演化規(guī)律等，闡述了影響TiAl基合金高溫流變應(yīng)力和形變激活能的因素，提出了提高TiAl基合金熱加工性能的有效途徑。研究內(nèi)容包括：(1)采用冷坩堝磁懸浮熔煉方法制備了成分為Ti-45Al-7Nb-0.4W-0.1 5B(at.％，下同)的高Nb-TiAl

2、基合金鑄錠；通過熱模擬試驗、OM、SEM、TEM及X射線衍射等手段，研究了該合金高溫塑性變形過程中的流變應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變速率及溫度的相關(guān)性以及動態(tài)再結(jié)晶等形變機制；利用回歸分析的方法得出了高溫變形的材料常數(shù)；同時試驗了其在常規(guī)壓力加工條件下的熱加工工藝，系統(tǒng)分析了鍛態(tài)合金在隨后的熱處理過程中的組織演化機理。(2)采用預(yù)合金粉末結(jié)合準等靜壓工藝制備了Ti-46A1.2Cr-2Nb-0.2W-0.15B合金；探討了其高溫變形行為，得出了其高

3、溫形變材料常數(shù)；分析并討論了其在高溫變形過程中的組織演變規(guī)律和形變機制；(3)發(fā)明了控制燒結(jié)元素粉末冶金新工藝，并采用此種工藝制備了Ti-45Al-7Nb-0.4W合金；研究了其反應(yīng)合成過程及致密化機制；分析了其高溫變形行為及材料常數(shù)；最終也探討了變形過程中的組織演變規(guī)律和形變機制。通過以上研究得到如下結(jié)論： 1)鑄態(tài)Ti-45A1-7Nb-0.4W-0.15B合金具有良好的熱加工性能，可以在T≥1000℃和ε≤1×10-1s-

4、1區(qū)間內(nèi)進行壓縮變形；該合金屬負溫度敏感材料和正應(yīng)變速率敏感材料，其流變應(yīng)力曲線的升高、降低及穩(wěn)定過程對應(yīng)了加工硬化和應(yīng)變軟化的交替控制和動態(tài)平衡過程；采用Zener-Hollomon參數(shù)法計算了合金的熱激活能為Q=384kJ.mol-1，計算結(jié)果與文獻接近；回歸分析結(jié)果表明，該合金高溫流變應(yīng)力與參數(shù)ε、T與Q之間滿足用雙曲正弦函數(shù)形式修正的Arrhenius關(guān)系；其高溫變形機制是以層片晶團的扭折、彎曲、球化及再結(jié)晶等過程為主；晶界塊狀

5、B2相由于其良好的高溫塑性在高溫變形中起了積極的作用；變形組織的微結(jié)構(gòu)分析表明，孿生變形是TiAl基合金高溫變形的重要方式之一。 2)鑄造Ti-45Al-7Nb-0.4W-0.15B合金在常規(guī)壓力加工條件下運用包套鍛造工藝可以進行大變形量熱加工。對鍛造合金的熱處理研究表明：在α2+γ兩相區(qū)熱處理時，晶粒隨溫度升高而逐漸長大，且在1230℃左右迅速粗化；殘留B2相的消除受偏析元素的擴散控制。試驗證明，鍛造組織在1230℃左右熱處理

6、可以得到完全消除B2相、晶粒尺寸長大不明顯的均勻細晶組織。 3)采用準等靜壓工藝制備了近全致密的Ti-46Al-2Cr-2Nb-0.2W-0.15B合金，其微觀組織為細小的近γ組織；此種合金具有較好的熱加工性能，在T≥1000℃和ε≤1×10-2s-1的條件下可以保證變形不開裂；與鑄造Ti-45A1-7Nb-0.4W-0.1 5B合金相比，本合金表現(xiàn)出了低得多的流變應(yīng)力和變形激活能，其熱激活能Q=319kJ.mol-1，計算結(jié)果

7、與文獻報道的細晶近γ或雙態(tài)組織的熱激活能數(shù)據(jù)接近；該合金的高溫壓縮變形主要受晶界的滑移和晶粒的動態(tài)再結(jié)晶等機制控制。 4)通過控制燒結(jié)元素粉末冶金新工藝制備了較大尺寸的Ti-45Al-7Nb-0.4W合金，其致密度達到98％以上。燒結(jié)機制分析表明：燒結(jié)過程中，顆粒破碎重排機制，壓力導(dǎo)致的致密化驅(qū)動力的增加等因素促進了合金的致密化；此合金的熱加工性能相對較差，其可加工區(qū)間為：T≥1100℃和ε≤1×10-2s-1，變形激活能Q=4

8、20kJ.mol-1；變形組織分析表明，其變形機制與具有層片組織的鑄造TiAl基合金高溫變形機制類似。 5)TiAl基合金的高溫流變應(yīng)力及激活能受到合金的制備工藝、組織狀態(tài)和成分等因素的影響。晶粒細小的近γ-TiAl基合金及雙態(tài)TiAl基合金的流變應(yīng)力及激活能要遠低于粗大的層片TiAl基合金；采用元素粉末制備的TiAl基合金中高的氧含量引起的高的層片穩(wěn)定性導(dǎo)致了合金較高的流變應(yīng)力和熱激活能；同時，高Nb合金化也會使合金的流變應(yīng)力