置氢Ti-46Al-2V-1Cr-0.3Ni合金高温变形规律及改性机理研究

摘要

TiAl基合金密度低、高温力学性能优良，在航空航天工业中展现出令人瞩目的发展前景。但其本征脆性、热加工能力差、加工温度区间窄等，严重增加了TiAl基合金的加工成本和限制了它的工程应用。热氢处理技术，把氢作为临时合金元素，在不增加合金密度的前提下，增加TiAl基合金塑韧性，改善其加工性能，为推进TiAl基合金的实用化进程提供了一条新途径。然而，氢对TiAl基合金热成形性能和改性机理还缺乏系统的研究。
　　本文研究对象为铸态Ti-46Al-2V-1Cr-0.3Ni合金。通过置氢热处理技术，获得最大置氢量为0.8at.%的置氢合金。置氢处理对合金的室温组织形貌、晶粒尺寸、相组成和含量没有显著的影响。利用等温热压缩方法，研究了氢对铸态合金高温力学性能的影响。与未置氢合金相比，置氢处理后合金的流动应力明显降低。氢致峰值应力平均下降率约为25%，即氢致合金软化。且这种软化效果在低应变速率和高温下更为显著。氢可激活滑移系，促进位错运动，因此置氢合金层片晶团内部发生了大量弯曲变形。这一方面减少了层片晶团之间的转动和滑动，另一方面阻止了晶团晶界处的应力集中，减少了裂纹的产生。置氢合金的α2相中析出了细小γ相层片主要与氢促进1/6<101?0>肖克莱不全位错的开动有关，这诱发了α2→γ层片相变，因此置氢合金的α2相中呈现出更多的γ相层片。氢可有效促进元素扩散，缩短层片碎化和球化的完成时间，进而促进层片分解。氢促进B2相析出，在γ/α2界面形成B2相并呈“舌形”向α2相内部生长，进而加速α2相层片分解。氢促进了γ相机械孪晶变形，以及促进了α2相的位错运动，导致竹节状α2相层片的产生，竹节状片层片比完整层片更易发生分解。氢促进了层片组织的碎化、球化、孪晶变形，并降低了层错能，进而促进了动态再结晶。氢显著地促进了非连续动态再结晶。非连续动态再结晶消耗了大量的位错，在一定程度上阻碍了连续动态再结晶的发生。总之，氢提高了铸态Ti-46Al-2V-1Cr-0.3Ni合金的高温塑性变形能力。
　　研究了铸态合金包套锻造工艺：确定包套尺寸和结构，确定最佳变形温度为1220℃，应变速率为0.01s-1，两步锻每步变形量为50%，总变形量为75%。置氢热处理对铸态合金包套锻造产生了积极的影响，置氢合金在锻造过程中表现出更高的塑性变形能力；氢明显促进了合金的层片分解、动态再结晶，因此置氢合金中晶粒更加细小均匀。
　　氢促进了锻态合金的流动软化，并使流动软化提前发生。氢降低了合金的层错能，导致孪生变形所需的临界分切应力降低，因此置氢合金孪晶界含量增多。120o<111>旋转晶界的产生与相变有关，180o<111>真孪晶界的产生与孪生变形有关。180o<111>真孪晶界与120o<111>旋转晶界相互作用产生60o<111>伪孪晶界。因此置氢合金比未置氢合金出现更多的60o<111>伪孪晶。仅从织构的强度来看，立方织构随变形温度和总变形量的升高而减弱，R织构则相反。在高温和大变形量条件下，γ相动态再结晶更容易发生，使与动态再结晶相关的织构的强度增加。另外，与R织构相比，立方织构更容易受到γ→α2和α2→γ层片相转变的影响。

目录

第1章 绪论

1.1研究背景

1.2 TiAl基合金的研究现状

1.3 TiAl基合金的热加工工艺

1.4 热氢加工技术研究现状

1.5金属高温变形力学模型

1.6 课题研究的意义及主要研究内容

第2章 实验材料与研究方法

2.1 实验材料

2.2 置氢热处理

2.3 包套锻造工艺方案

2.4力学性能测试

2.5微观组织分析

第3章 置氢Ti-46Al-2V-1Cr-0.3Ni合金高温变形流动行为研究

3.1引言

3.2 氢在TiAl基合金中溶解度研究

3.3氢对合金室温组织的影响

3.4 置氢合金高温流动行为研究

3.5 本章小结

第4章 置氢Ti-46Al-2V-1Cr-0.3Ni合金高温变形组织演变及改性机理研究

4.1 引言

4.2 氢对组织演变规律的影响

4.3变形温度对组织演变规律的影响

4.4应变速率对组织演变规律的影响

4.5 氢致层片分解机制研究

4.6 氢致动态再结晶机制研究

4.7 氢致织构演变规律研究

4.8氢阻碍裂纹扩展机制研究

4.9 本章小结

第5章 置氢Ti-46Al-2V-1Cr-0.3Ni合金锻造性能及锻后热处理研究

5.1 引言

5.2合金包套锻造工艺

5.3氢对合金锻造性能的影响

5.4置氢对锻态合金室温组织的影响

5.5 热处理对置氢与未置氢合金微观组织的影响

5.6本章小结

第6章 置氢Ti-46Al-2V-1Cr-0.3Ni合金平面应变变形行为研究

6.1引言

6.2平面应变应力场与应变场研究

6.3 锻态合金平面应变真应力-真应变曲线及其特征分析

6.4 锻态合金平面应变压缩组织演变规律研究

6.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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