高铌TiAl基合金热处理组织演化与性能研究

摘要

γ-TiAl基合金是一种理想的轻质高温结构材料，具有密度小、比强度高、比刚度高、高温性能好、良好抗氧化和耐蚀性等优点，使用温度高达700~1000℃，应用于航空、航天及船舶等领域。但是，由于其室温塑性差、难加工成形和高温抗氧化性能差等限制了它的广泛应用。本课题是在原有TiAl基合金的基础上，添加较高含量（6~8 at.％）的Nb元素，并添加了Cr、Mo、W、B、Si等合金元素，通过均匀化处理和循环热处理使材料在固态转变过程中形成细小均匀的片层组织，从而改善TiAl基合金的室温脆性和高温抗氧化性。本论文研究了合金成分和热处理工艺对组织和性能的影响，研究了合金的热处理组织演化、力学性能、抗氧化性能和耐腐蚀性能。
　　采用真空非自耗钨极氩弧熔炼炉制备高铌TiAl基合金铸锭，显微组织分析表明：合金主要是由α2/γ片层组织组成，沿晶界和晶内析出少量的γ相和B2相，铸态组织中存在成分偏析，组织不均匀。通过改变加热温度、保温时间、冷却方式、循环次数等参数的均匀化热处理和循环热处理，观察合金显微组织与硬度变化，优化后的热处理为：首先做随炉加热至1200℃，保温24 h，空冷的均匀化处理；然后做快速加热至1150℃，保温4 h，空冷，循环3次的循环热处理。热处理后，合金的片层晶团和片层组织得到明显的细化，组织均匀化，γ相含量升高，α2相和B2相含量降低。同时，Cr元素可以细化晶粒，促进相的析出；Mo元素能细化片层组织和析出相，但不能促进相的析出。
　　本论文研究了成分和热处理工艺对合金力学性能的影响。铸锭经过热处理后，合金的硬度下降约5~10 HRC，有利于改善合金的塑性和韧性。常温压缩实验表明：材料均为脆性断裂，同时加入2 at.%Cr和2 at.%Mo的合金的弹性模量较高，断裂强度适中，屈强比较低，压缩率较低，表明合金的强度、刚度和室温塑性配合的较好。高温压缩实验表明：材料呈现一定的塑性，同时加入2 at.%Cr和2 at.%Mo的合金的弹性模量、断裂强度、塑性均最佳。同样，该合金的硬度为41.1 HRC，也处于一个较高的水平。综合以上分析， Ti-45Al-6Nb-2Cr-2Mo-0.5W-0.8B-0.2Si合金的力学性能最好。
　　本论文研究了成分对热处理后的合金的高温氧化性能和海水腐蚀性能的影响。高温氧化实验表明：当加热温度为800℃、空气气氛、氧化时间小于200 h，未加入Cr、Mo元素的合金的抗氧化性要优于其它合金；随着氧化时间延长，单独添加4 at.%Cr的合金和同时添加2 at.% Cr、2 at.% Mo的合金的氧化动力学曲线趋于平缓，有利于进一步保护合金不被氧化；合金的氧化膜平整均匀，未出现瘤状物或开裂，有多层膜组成，合金的平均氧化膜厚度可达到3.0μm；在Ti3O、TiO2、(Al0.9Cr0.1)2O3和AlO氧化膜的联合作用可以较好地保护材料不被进一步氧化。海水腐蚀实验表明：根据动电位极化曲线和电化学阻抗谱来综合评定合金的耐蚀性，可以得到添加2 at.% Mo有利于最大程度地提高合金的耐蚀性，同时添加2 at.%Cr、2 at.%Mo也可以较好的提高合金的耐蚀性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究目的及意义

1.2 TiAl基合金研究现状

1.3 高铌TiAl基合金研究现状

1.4 Thermo-Calc软件热力学模拟

1.5 本文主要研究内容

第2章 材料制备与测试方法

2.1 材料制备与测试路线图

2.2 高铌TiAl基合金材料设计及热力学计算

2.3 高铌TiAl基合金材料制备

2.4 高铌TiAl基合金热处理

2.5 分析测试方法

2.6 本章小结

第3章 高铌TiAl基合金铸态与热处理组织演化

3.1 引言

3.2 高铌TiAl基合金铸态组织特征

3.3 热处理对高铌TiAl基合金组织和硬度的影响

3.4 高铌TiAl基合金热处理组织特征

3.5 高铌TiAl基合金组织均匀化

3.6 本章小结

第4章 高铌TiAl基合金的力学性能

4.1 引言

4.2 高铌TiAl基合金常温压缩性能

4.3 高铌TiAl基合金高温压缩性能

4.4 高铌TiAl基合金的硬度

4.5 本章小结

第5章 高铌TiAl基合金高温氧化与腐蚀性能

5.1 引言

5.2 高铌TiAl基合金高温氧化性能

5.3 高铌TiAl基合金耐海水性能

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢