放电等离子烧结TiAl基合金的组织与力学性能

摘要

γ-TiAl基合金具有良好的高温强度、抗蠕变性及抗氧化性、低密度等优点，有望取代Ni基高温合金，是航空航天工业中潜在的轻质高温结构材料，但其严重的室温脆性及塑性加工工艺性差等缺陷限制了其进一步应用。本文采用放电等离子烧结(SPS)分别使用预合金粉末法制备了Ti-44Al-3Nb-1Mo-1V-0.2Y合金，使用元素粉末法制备了Ti-46Al-2Cr-0.5Si-0.2C、Ti-46Al-9Nb-0.5Si、Ti-46Al-9Nb-1Cr合金，研究了SPS参数及粉体参数对烧结体显微组织和室温压缩性能的影响，实现了SPS条件下难扩散金属的成分均匀化。
　　利用预合金粉末制备了Ti-44Al-3Nb-1Mo-1V-0.2Y合金。合金微观组织演化规律依赖于SPS烧结参数。采用2min的烧结时间，在1150℃时微观组织为双态组织，随烧结温度升高至1200℃，微观组织转变为全层片组织，继续升高温度，层片晶团粗化。1100℃时，烧结体具有最好的综合力学性能，在1200℃下烧结组织具有最高的强度。
　　元素粉末法制备TiAl合金过程中，元素反应从Al熔化之后开始。Ti-46Al-2Cr-0.5Si-0.2C合金均为典型的双态组织。随烧结温度提高和烧结时间延长，层片团所占比例增多。在1350℃，5min时Ti、Al、Si、C等元素已扩散均匀，Cr在1350℃下烧结8min时扩散完成。在1350℃，5min的烧结体中双态组织晶粒细小，因此综合力学性能也最好。提高烧结温度、延长烧结时间，将导致组织粗化，强度和塑性均下降。
　　元素粉末法制备的两种高Nb-TiAl合金中分别使用了不同粒度的Nb粉。在Ti-46Al-9Nb-0.5Si合金中，Nb粉粒度小于38μm，在1350℃下烧结15min后，仍未实现成分均匀化，而过长的烧结时间导致晶粒粗化。合金的显微组织为双态组织，随 Nb的扩散，组织中出现 B2相。在 Ti-46Al-9Nb-1Cr合金中，Nb粉粒度小于5μm，Nb分布更加均匀，在1300℃，5min时已实现高Nb-TiAl基合金的成分均匀化。合金的显微组成相为γ相，B2相及α2相。与Ti-46Al-9Nb-0.5Si合金相比，Ti-46Al-9Nb-1Cr合金具有更高的强度，这是因为后者晶团平均尺寸更小。

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1 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 TiAl基合金的研究现状

1.3 放电等离子烧结工艺特点

1.4 课题主要内容

2 实验材料及方法

2.1 实验材料

2.2 实验设备

2.3 实验方案

2.4 分析测试方法

3 预合金粉末制备TiAl基合金的组织与室温压缩性能

3.1 预合金粉末的相和形态

3.2 不同SPS温度下Ti-44Al-3Nb-1Mo-1V-0.2Y合金的微观组织

3.3 不同SPS温度下Ti-44Al-3Nb-1Mo-1V-0.2Y合金的室温压缩性能

3.4 机理分析

3.5 本章小结

4 元素粉末制备TiAl基合金的组织与室温压缩性能

4.1 SPS参数的确定

4.2 SPS参数对Ti-46Al-2Cr-0.5Si-0.2C合金微观组织的影响

4.3 SPS参数对Ti-46Al-2Cr-0.5Si-0.2C合金室温压缩性能的影响

4.4 机理分析

4.5 本章小结

5 元素粉末制备高Nb-TiAl基合金的成分均匀化

5.1 粉体参数及SPS参数

5.2 SPS参数对Ti-46Al-9Nb-0.5Si合金组织的影响

5.3 粉体参数对高铌TiAl基合金组织的影响

5.4 高Nb-TiAl合金的力学性能

5.5 机理分析

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的论文