铸态Ti-46Al-0.5W-0.5Si合金热处理组织演变与力学性能

摘要

γ-TiAl 基合金具有低密度、高弹性模量、优良的高温强度、较好的抗蠕变性能和抗氧化性能,有望成为高温结构材料,应用于航空航天及汽车领域,但是,其室温塑性较差和难加工成形,限制了它们的实际应用。本文研究了Ti-46Al-0.5W-0.5Si(at.%)合金铸态柱状晶组织、固态相变过程中组织均匀化和柱状晶等轴化转变,以及组织优化处理对力学性能的影响,分析了不同组织的断裂行为,期望通过简单热处理获得优化的显微组织和力学性能。
　　采用真空水冷铜坩埚电磁感应熔炼炉(ISM)制备了 Ti-46Al-0.5W-0.5Si(at.%)合金铸锭,铸锭的宏观组织是粗大的柱状晶粒。显微组织分析表明：铸态 Ti-46Al-0.5W-0.5Si 合金主要由 α2/γ 片层结构组成,α2/γ 片层与柱状晶生长方向近似垂直；合金铸态组织存在偏析,W偏聚于枝晶干,Si和 Al偏聚于枝晶间并形成 γ+Ti5Si3 的组织。室温力学性能分析表明铸态全片层 Ti-46Al-0.5W-0.5Si 合金力学性能存在强烈的各向异性,加载轴平行于柱状晶生长方向的拉伸性能和弯曲性能远远低于垂直于柱状晶生长方向的拉伸性能和弯曲性能,而压缩性能则相反。断裂试样显微组织分析表明柱状晶组织中片层取向、晶界以及Ti5Si3相团簇对裂纹扩展有影响。
　　研究了铸态 Ti-46Al-0.5W-0.5Si 合金热处理过程中组织的均匀化和柱状晶等轴化转变机理,以及均匀化和等轴化处理后的力学性能。结果表明：在 Tα以上单相区热处理时,发生柱状晶向等轴晶转变,同时实现组织的均匀化。在α单相区保温过程中,晶界和晶内同时有许多α相形核并消耗周围铸态α2/γ粗片层不断长大,当这些长大的 α 相晶粒彼此相遇时,就实现了柱状晶等轴化转变。通常在柱状晶晶界处形成的 α 相晶核向两侧柱状晶内部长大,冷却后 α晶粒析出与原柱状晶内片层方向不同的 α2/γ 片层,原始铸态柱状晶界消失。在 α+γ 两相区保温时,可以保留铸态的宏观柱状晶形貌。保温过程中,富 W的B2相首先转变成α相,冷却后析出细小的α2/γ片层。在α+γ两相区等温热处理后的组织通常是粗化的、未溶断的片层与新析出的细小片层共存。铸态组织中的 Ti5Si3相团簇在热处理过程中部分溶解后扩散至团簇附近的 α2/γ片层区域,冷却时沿 α2相和 γ 相片层界面弥散析出 Ti5Si3颗粒。均匀化热处理可以在很大程度上减轻铸态 Ti-46Al-0.5W-0.5Si 合金中的偏析和硅化物团簇对室温力学性能的不利影响,改善了合金的塑性。等轴化热处理可以使粗大的柱状晶转变为等轴晶组织,消除各向异性,但是具有粗大的等轴晶粒的组织塑性依旧塑性依旧很差。
　　基于均匀化和等轴化热处理过程中的固态相变机制,为了优化合金的力学性能,采用淬火+回火热处理,获得了 Ti-46Al-0.5W-0.5Si 合金细化等轴晶组织。不同淬火工艺对淬火+回火组织的影响体现在组织中的均匀化效果、淬火组织的晶粒尺寸以及冷却过程中带来的微观缺陷。具有细小的淬火晶粒和大量的微观缺陷的组织在回火过程中易于形成大量的晶核,获得细小的回火组织。不同回火温度会影响最终回火组织中 α2相和 γ 相的体积分数,以及回火组织的粗细。
　　研究了具有双态组织的 Ti-46Al-0.5W-0.5Si 合金的室温和高温拉伸性能,结果表明：具有双态组织的 Ti-46Al-0.5W-0.5Si 合金塑性比具有全片层粗大等轴晶的合金塑性好。20℃~1000℃高温拉伸试验中,随着拉伸变形温度的升高,塑性提高,在1000℃变形时,塑性达到51.3%。

目录

铸态Ti-46Al-0.5W-0.5Si 合金热处理组织演变与力学性能

Influence of Heat Treatment on the Microstructure and Mechanical Properties of As-cast Ti-46Al-0.5W-0.5Si Alloy

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 研究目的和意义

1.2 铸造γ-TiAl 基合金的研究现状

1.2.1 铸造γ-TiAl 基合金的开发

1.2.2 γ-TiAl 基合金中的相与相变

1.3 γ-TiAl 基合金热处理研究现状

1.3.1 常见热处理后的显微组织

1.3.2 γ-TiAl 基合金的热处理工艺

1.3.3 TiAl(W,Si)合金热处理组织

1.4 γ-TiAl 基合金力学性能研究现状

1.4.1 γ-TiAl 基合金室温力学性能

1.4.2 γ-TiAl 基合金高温力学性能

1.4.3 γ-TiAl 基合金断裂行为

1.5 本文主要研究内容

第2章 实验材料与方法

2.1 Ti-46Al-0.5W-0.5Si 合金铸锭的制备

2.2 Ti-46Al-0.5W-0.5Si 合金的DSC 差热分析

2.3 Ti-46Al-0.5W-0.5Si 合金的热处理

2.4 显微组织及相分析

2.4.1 显微组织观察

2.4.2 X 射线相结构分析

2.5 力学性能测试

第3章 Ti-46Al-0.5W-0.5Si 合金铸态组织及力学性能

3.1 引言

3.2 Ti-46Al-0.5W-0.5Si 合金的铸态组织

3.2.1 Ti-46Al-0.5W-0.5Si 合金的柱状晶组织

3.2.2 Ti-46Al-0.5W-0.5Si 合金的全片层组织及相组成

3.2.3 Ti-46Al-0.5W-0.5Si 合金的微观偏析

3.2.4 Ti-46Al-0.5W-0.5Si 合金硅化物的分布及形貌

3.3 铸态全片层Ti-46Al-0.5W-0.5Si 合金力学性能

3.3.1 铸态Ti-46Al-0.5W-0.5Si 合金的室温力学性能

3.3.2 铸态Ti-46Al-0.5W-0.5Si 合金断口形貌

3.3.3 铸态Ti-46Al-0.5W-0.5Si 合金片层取向与力学各向异性的关系

3.4 柱状晶晶界对裂纹扩展行为的影响

3.4.1 加载轴垂直于片层界面

3.4.2 加载轴平行于片层界面

3.4.3 柱状晶界对断裂行为影响机理

3.5 初生硅化物对裂纹扩展行为的影响

3.5.1 拉伸试样中硅化物的影响

3.5.2 缺口试样中硅化物的影响

3.5.3 初生硅化物对断裂行为影响机理

3.6 本章小结

第4章 Ti-46Al-0.5W-0.5Si 合金柱状晶组织均匀化与等轴化处理及力学性能

4.1 引言

4.2 合金柱状晶均匀化热处理的组织演变

4.2.1 合金均匀化热处理中的W 偏析

4.2.2 合金均匀化热处理中的片层组织

4.2.3 合金均匀化热处理中的硅化物

4.2.4 合金的组织均匀化机理

4.3 合金柱状晶等轴化热处理的组织演变

4.3.1 合金随炉加热时等轴化组织演变

4.3.2 合金快速加热时等轴化组织演变

4.3.3 合金柱状晶等轴化的转变机理

4.4 合金柱状晶组织均匀化的力学性能

4.4.1 合金均匀化热处理后的力学性能

4.4.2 合金均匀化热处理后的断口形貌

4.4.3 合金均匀化热处理后的裂纹扩展行为

4.5 合金等轴化热处理后的力学性能

4.5.1 合金等轴化热处理后的力学性能

4.5.2 合金等轴化热处理后的断口形貌

4.5.3 合金等轴化热处理后的裂纹扩展行为

4.6 本章小结

第5章 Ti-46Al-0.5W-0.5Si 合金的淬火+回火热处理组织演变及力学性能

5.1 引言

5.2 Ti-46Al-0.5W-0.5Si 合金淬火热处理的研究

5.2.1 淬火热处理的作用

5.2.2 淬火冷却方式对淬火+回火组织的影响

5.2.3 淬火温度对淬火组织的影响

5.2.4 淬火温度对淬火+回火组织的影响

5.2.5 淬火保温时间对淬火组织的影响

5.2.6 淬火保温时间对淬火+回火组织的影响

5.3 Ti-46Al-0.5W-0.5Si 合金回火热处理的研究

5.3.1 回火温度对淬火+回火组织的影响

5.3.2 回火保温时间对淬火+回火组织的影响

5.3.3 回火处理时淬火+回火组织转变

5.4 热处理Ti-46Al-0.5W-0.5Si 合金的室温力学性能

5.4.1 合金热处理后的室温拉伸性能

5.4.2 室温拉伸试样的断口形貌

5.4.3 室温拉伸试样裂纹扩展行为

5.5 热处理Ti-46Al-0.5W-0.5Si 合金的高温力学性能

5.5.1 合金热处理后的高温拉伸性能

5.5.2 高温拉伸变形后的显微组织

5.5.3 高温拉伸试样的断口形貌

5.5.4 高温拉伸试样的断裂行为

5.6 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

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历