γ-TiAl基合金液態(tài)置氫及其對(duì)組織和力學(xué)性能的影響.pdf

1、γ-TiAl基合金具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、抗蠕變、抗氧化和阻燃性能，而且密度低、彈性模量高，有望作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于航空航天及汽車等領(lǐng)域，但TiAl合金的熱成形仍然存在一些問題，如鑄造成形后組織粗大，鍛造成形時(shí)流變應(yīng)力高。熱氫處理技術(shù)可以細(xì)化組織，改善熱變形性能，其原理是將氫作為一種臨時(shí)性合金元素，利用氫的作用細(xì)化合金的組織，改善合金的高溫變形性能。但由于氫在固態(tài)合金中的擴(kuò)散速率相對(duì)較慢，熱氫處理技術(shù)主要應(yīng)用于小型薄壁工件。為克服傳統(tǒng)熱氫處理

2、技術(shù)置氫周期長(zhǎng)，效率低的不足，本課題組發(fā)明了一種新的置氫技術(shù)，定義為液態(tài)置氫，該技術(shù)的實(shí)施過程是在氫氣/氬氣中熔煉合金，氫氣分解并擴(kuò)散進(jìn)入合金熔體進(jìn)而達(dá)到置氫的目的。液態(tài)置氫技術(shù)具有較高的置氫效率，可與合金熔煉同時(shí)進(jìn)行，適用于對(duì)各種尺寸的工件進(jìn)行置氫。本文將液態(tài)置氫技術(shù)應(yīng)用于TiAl合金，研究液態(tài)置氫對(duì)TiAl合金凝固組織和力學(xué)性能的影響，以及液態(tài)置氫對(duì)TiAl合金熔體的凈化作用。
　　本文首先對(duì)液態(tài)置氫的置氫量和置氫時(shí)間的控制這

3、一基礎(chǔ)問題進(jìn)行了研究，包括氫在TiAl合金熔體中的溶解度及擴(kuò)散系數(shù)。結(jié)合熱力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了氫在TiAl二元合金熔體中的溶解度模型，建立了氫在TiAl二元合金熔體中的溶解度與合金成分、氫分壓和熔體溫度的關(guān)系。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，氫在TiAl合金熔體中溶解度的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值吻合較好。在本實(shí)驗(yàn)條件下，將氫在TiAl合金熔體中的擴(kuò)散近似為一維擴(kuò)散，利用菲克第二定律，并采用誤差函數(shù)法估算得到了氫在TiAl合金熔體中的等效擴(kuò)散系數(shù)約為5.5×10

4、-3 cm2/s。氫在TiAl合金熔體中溶解度和擴(kuò)散系數(shù)的獲得為實(shí)施液態(tài)置氫技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。
　　研究了液態(tài)置氫去除Ti-47Al合金熔體中的雜質(zhì)元素O、C和N的作用。發(fā)現(xiàn)液態(tài)置氫對(duì)O和C具有比較顯著的脫除作用，而對(duì)N的脫除作用極其微弱。在液態(tài)置氫過程中，隨著氫分壓和熔煉時(shí)間的增大，Ti-47Al合金中的O和C含量逐漸降低。利用吉布斯自由能的變化對(duì)液態(tài)置氫去除TiAl合金中的O和C元素的機(jī)理進(jìn)行分析，O和C元素含量的降低是由于氫與

5、這些元素在合金熔體表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所造成的。
　　對(duì)Ti-44Al，Ti-47Al及Ti-49Al二元合金進(jìn)行了液態(tài)置氫并研究了液態(tài)置氫對(duì)TiAl合金的凝固組織的影響。液態(tài)置氫后，這三種不同成分的TiAl合金的凝固組織均得到了顯著的細(xì)化，TiAl合金由粗大的柱狀晶變成比較細(xì)小的等軸晶。液態(tài)置氫后合金中除了四重對(duì)稱的樹枝晶之外，還出現(xiàn)了六重對(duì)稱的樹枝晶。液態(tài)置氫細(xì)化TiAl合金的機(jī)理是由于氫降低了臨界形核功，同時(shí)促進(jìn)了固液界面前沿溶

6、質(zhì)Al原子的富集，增強(qiáng)了固液界面前沿的成分過冷，提高了成分過冷度。液態(tài)置氫還能夠細(xì)化Ti-47Al合金的固態(tài)相變組織，減小Ti-47Al合金的片層厚度。對(duì)經(jīng)液態(tài)置氫處理的Ti-47Al合金進(jìn)行真空退火除氫后發(fā)現(xiàn)，細(xì)小的晶粒得以保留。
　　利用Gleeble熱模擬機(jī)研究了液態(tài)置氫后的Ti-47Al合金高溫塑性變形行為，發(fā)現(xiàn)在所研究的變形條件下，經(jīng)液態(tài)置氫處理的合金的流變應(yīng)力和峰值應(yīng)力均有所降低，降低的程度隨著置氫量的提高而增強(qiáng)。如在