(γ+α2+B2)三相TiAl合金热加工特性及组织性能研究

摘要

TiAl合金具有低密度、高模量和优异的高温性能，已经成为新一代轻质耐高温结构材料。目前，航空发动机高压压气机叶片、低压涡轮叶片和尾喷口扩张调节片部件，航天飞行器热防护结构等对高性能变形TiAl合金需求迫切。多年来，TiAl合金研究重点集中在（γ+α2）两相TiAl合金，随着新型TiAl合金的发展，（γ+α2+B2）三相TiAl合金因其具有较为优异的热变形能力而受到广泛关注。但其热加工过程中的相变、组织演变复杂，B2相对合金力学性能，尤其是室温塑性的影响尚存在争议。本文以三相 Ti-44Al-5V-1Cr和 Ti-42Al-6V-1Cr合金为研究对象，研究了合金的热变形行为及组织演变规律；包套挤压、近等温锻造、包套轧制和超塑性成型；热加工和热处理对组织性能的影响规律；合金近层片组织各组元拉伸下的微观变形机制。
　　采用热模拟的方法对比研究了三相TiAl合金铸锭近层片和开坯后等轴组织的热变形行为及组织演变规律。结果表明：铸态合金在温度1175℃-1225℃，应变速率0.05-0.1s-1区间为最佳热加工窗口。挤压开坯制备了尺寸为410mm×165mm×80mm的矩形截面棒材，退火后得到了等轴晶组织，其平均晶粒尺寸为13.7μm。等轴组织变形抗力低、变形均匀，开坯后热加工窗口显著增大。在（γ+α+β）三相区变形，层片团随着变形量的增加发生扭折、旋转，层片的分解和再结晶由层片团界逐步向内部扩展。β相的存在利于层片团的旋转，提升了合金的热变形能力。γ、α、β三相均以动态回复和动态再结晶为组织演化形式。在（α+β）两相区变形，以α相的动态再结晶为主，β相的存在能有效抑制α晶粒的长大。α相晶粒尺寸对流变抗力影响较弱。
　　以开坯后 Ti-44Al-5V-1Cr合金矩形截面棒材为坯料，采用近等温锻造和包套轧制方法，成功制备了450mm×220mm×35mm的锻件和300mm×200mm×2.7mm的板材。板材由等轴γ晶粒、短条/块状B2相、少量的块状α2相组成，平均晶粒尺寸3.5μm。板材在950℃/1×10-4s-1条件下拉伸，伸长率为345％。以国外报道的具有应用背景的TiAl超塑成型件为原型，成功超塑性成型出航空发动机尾喷口用复杂结构典型试验件，这对推进国内TiAl合金板材的应用具有重要意义。
　　研究了热处理温度对三相Ti-44Al-5V-1Cr合金锻态组织和拉伸性能的影响规律。结果表明：在1230℃～1310℃热处理，呈近层片组织状态，热处理温度对B2相的成分影响不大。1230℃热处理后，室温拉伸强度893MPa，伸长率2.5%；（α+β）相区热处理，室温抗拉强度均在965MPa以上，伸长率1.0%～1.2%。700℃以下拉伸强度降低缓慢，700℃以上，强度下降明显，伸长率显著提高。从性能结果来看，层片团体积分数的增加对合金强度增加显著，γ晶粒增多会使合金强度降低，塑性升高。
　　针对Ti-42Al-6V-1Cr合金开展了（α+β）相区的挤压加工及组织性能研究。研究发现，挤压态合金呈近层片组织状态，层片团尺寸和层片间距均显著细化，组织均匀。室温下，合金强度达到1113MPa，伸长率2.4%，表现出了非常优异的强度和塑性匹配；在800℃，合金的拉伸强度达到860MPa。
　　研究了三相TiAl合金近层片组织室温和高温拉伸下的变形机理。结果表明：室温下，γ/α2层片结构对变形量的贡献很小，塑性变形主要来自层片界处γ和B2晶粒的变形。首次研究发现Ti-42Al-6V-1Cr合金B2相中室温拉伸变形<110>型位错，其滑移模式为{111}<110>。γ相孪生变形可以诱发B2相位错开动。B2相、γ/α2层片和γ相的纳米压痕硬度值依次为5.3 GPa、4.7 GPa和3.9 GPa。三相TiAl合金中γ、B2和α2室温变形能力由强到弱的顺序为：γ?B2?α2。800℃拉伸，γ/α2层片结构发生旋转和部分分解，γ晶粒和B2相均出现再结晶。800℃拉伸后B2相中观察到<111>、<110>和<100>型位错，更多滑移模式的开动造成了合金强度的下降。
　　V和Cr元素合金化形成的B2相中不产生ω相，其室温变形能力优于Nb、Mo合金化的B2相，这对合金室温塑性有益。本文研究的两种三相 Ti-44Al-5V-1Cr、Ti-42Al-6V-1Cr合金经合适的热加工和热处理获得了优异的强度塑性匹配，具有工程应用潜力。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 选题背景

1.2 TiAl合金的研究现状

1.3 TiAl合金的热加工

1.4β/B2相对TiAl合金组织和性能的影响

1.5本论文研究的目的、意义和主要内容

第2章 三相TiAl合金制备工艺与实验方法

2.1 合金的制备

2.2 热加工工艺方法

2.3 力学性能测试

2.4 微观组织分析

第3章 Ti-44Al-5V-1Cr合金的热变形行为研究

3.1 引言

3.2 Ti-44Al-5V-1Cr合金近层片组织高温变形行为研究

3.3 三相TiAl合金等轴组织高温变形行为研究

3.4讨论

3.5本章小结

第4章 Ti-44Al-5V-1Cr合金三相区加工及组织性能研究

4.1 引言

4.2 Ti-44Al-5V-1Cr合金锻造

4.3热处理工艺对锻件显微组织的影响

4.4热处理工艺对锻件力学性能的影响

4.5 Ti-44Al-5V-1Cr合金板材轧制

4.6本章小结

第5章 Ti-42Al-6V-1Cr合金两相区加工及组织性能研究

5.1 引言

5.2 (α+β)两相区变形过程中的组织演变

5.3 Ti-42Al-6V-1Cr合金力学性能

5.4 讨论

5.5 本章小结

第6章 三相TiAl合金在室温和高温拉伸下的变形机理

6.1 引言

6.2 三相TiAl合金室温拉伸下的变形

6.3三相TiAl合金高温拉伸下的变形

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢