箔冶金法制備γ-TiAl基合金板材技術(shù)基礎(chǔ)研究.pdf

1、γ-TiAl基合金具有低密度、高比強(qiáng)度和高比彈性模量等優(yōu)點(diǎn),極具應(yīng)用前景。但是由于γ-TiAl基合金的本質(zhì)脆性問題,TiAl合金板材難以通過傳統(tǒng)的軋制方法來制備。目前能夠用于γ-TiAl基合金板材商業(yè)化生產(chǎn)的方法為特殊軋制法,它主要分為鑄錠冶金和粉末冶金兩種路徑。鑄錠冶金路徑存在成分偏析以及均勻化時(shí)間長等問題,粉末冶金存在致密化問題,也可能存在夾雜以及Ar氣孔等問題。箔冶金法已經(jīng)被用來制備金屬間化合物板材。相對(duì)于粉末顆粒而言,箔材比表面

2、積較小,故表面受污染的程度小;相對(duì)于鑄錠而言,箔材的厚度較小,故元素的擴(kuò)散距離短,成分均勻化比較容易實(shí)現(xiàn)。本文嘗試用箔冶金的方法制備了γ-TiAl基合金板材以及 SiCf/TiAl復(fù)合材料,并對(duì)相變過程及相關(guān)機(jī)制進(jìn)行了研究。
　　對(duì)層疊的Ti/Al箔在520-650℃的界面反應(yīng)研究表明,在Al箔未完全消耗以前TiAl3是界面唯一的反應(yīng)產(chǎn)物。在四種化合物相α2-Ti3Al、γ-TiAl、TiAl2和TiAl3中,TiAl3在Ti/A

3、l界面處形核引起的界面能增加最小,這種界面熱力學(xué)條件決定了TiAl3的優(yōu)先生長。這種初生相的選擇機(jī)理比有效生成熱模型能夠更全面地解釋四種Ti-Al化合物相之間的競相選擇關(guān)系。在520-600℃熱處理時(shí),TiAl3相層的長大由擴(kuò)散控制;625-650℃熱處理時(shí),TiAl3相層的長大是反應(yīng)控制;各溫度下的TiAl3相層均主要向Al箔一側(cè)長大。計(jì)算了晶粒尺寸對(duì)箔材中原子實(shí)際擴(kuò)散系數(shù)的影響,將計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于TiAl3相層長大過程的數(shù)值模擬,模擬

4、結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,為日后處理多晶材料中的擴(kuò)散問題提供了參考。Al箔完全與Ti箔反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)門iAl3后,α2、γ和TiAl2在Ti/TiAl3界面生成且呈層狀分布,相層與板材板面平行。
　　根據(jù) DSC分析結(jié)果制定的箔冶金法制備二元γ-TiAl基合金板材的工藝為640/12 h+850/35 h+1350/2 h℃℃℃。640℃/12 h熱處理后的板材組織為層狀分布的Ti/α2/γ/TiAl2/TiAl3相層,各相層與板面平行

5、。在850℃熱處理時(shí),隨著保溫時(shí)間的增加,Ti、TiAl2、TiAl3相層厚度逐漸減小直至相層完全消失,α2、γ相層逐漸長大,這兩相的長大由擴(kuò)散控制。經(jīng)過1350℃熱處理后的板材為全片層結(jié)構(gòu),組織均勻,α2/γ團(tuán)簇在板材厚度方向的尺寸大約為單層Ti箔和單層Al箔厚度之和。這為箔冶金法制備γ-TiAl基合金板材的原料箔材的厚度選擇原則提供了依據(jù)。
　　640/12 h+850/35 h+1350/2 h℃℃℃工藝制備的板材中,80％

6、的片層與板材板面的夾角小于30°,這種組織得益于原料Ti箔中的(0001)織構(gòu)。640/12 h+℃1000/10 h+1350/2 h℃℃工藝制備的板材也是全片層結(jié)構(gòu),但片層取向趨于隨機(jī)分布。這是因?yàn)槿绻诙綗崽幚頊囟冗x擇在α/β轉(zhuǎn)變溫度以上，在板材制備過程中會(huì)發(fā)生α→β→α轉(zhuǎn)變,從而弱化了Ti箔的(0001)織構(gòu)。用前種工藝成功制備了厚度為0.7 mm的波紋板,證明了箔冶金法可以用來制造形狀較為復(fù)雜的零件。
　　用熱壓層疊的

7、TiNb/Al、TiNbCr/Al、TiAlWSi/Al箔的方法分別制備了Ti-47Al-5Nb、Ti-48Al-2Nb-2Cr和Ti-47Al-4W-Si板材。所制備的板材具有近全片層結(jié)構(gòu), Ti、Al、Nb、Cr等元素分布均勻,Ti-47Al-4W-Si板材中有 B2相和Ti5Si3相析出。而用熱壓層疊的Ti/Al/Nb元素箔的方法未能制備具有片層組織的板材,且Nb元素濃度梯度很明顯,這表明熱壓鈦合金箔/鋁箔的方法比熱壓元素箔的方法

8、能夠更有效地制備γ-TiAl基合金板材。
　　用箔冶金法制備的SiCf/TiAl復(fù)合材料板材的基體為全片層組織。纖維和基體接觸的部分位置有“耳”狀孔洞,基體和SiC纖維之間發(fā)生界面反應(yīng)。當(dāng)SiC纖維與Al箔復(fù)合時(shí),界面反應(yīng)產(chǎn)物從纖維到基體依次是SiC TiC Ti∣∣3SiC2∣5Si3 Ti∣5(Si, Al)3+Ti2AlCγα∣∣2/γ團(tuán)簇;當(dāng)SiC纖維與Ti箔復(fù)合時(shí),界面反應(yīng)產(chǎn)物從纖維到基體依次為SiC TiC Ti∣∣3