TiAl基合金高温变形行为及组织演化的研究

摘要

TiAl基合金具有优异高温强度、抗氧化和抗蠕变等特性，被评为最有发展前景的轻质高强结构材料，然而其热加工性能较差，限制了其广泛应用。
　　本论文通过热模拟压缩试验，分别研究了铸造TiAl基合金和粉末冶金TiAl基合金的高温压缩变形行为，对合金的高温流变应力进行了摩擦和温度修正，计算了两种合金的材料参数，基于修正后的流变应力，构建了热变形的本构方程和热加工图，并依据加工图对其高温变形机制进行了分析。借助以上研究，以期获得合理的热加工参数。此外，本论文对铸造TiAl基合金的β(B2)相消除进行了研究，以提高合金材料的室温塑性和断裂韧性。
　　Ti-43Al-4Nb-1.4W-B合金组织随B含量增加，细化作用逐渐明显，当B含量为0.6％时，铸态Ti-43Al-4Nb-1.4W-B合金组织细化效果最好。铸造TiAl基合金是温度、应变速率敏感材料，其流变应力随着温度的升高和应变速率的降低而降低。合金的高温流变应力与应变速率和变形温度之间较好地满足双曲正弦函数关系，在应变为0.4时，其高温变形本构方程为:(ε)=e31.9[sinh(0.0057σ)]2.8 exp(-419.21/RT)其高温塑性变形流变行为可以用以应变为自变量的五次多项式进行描述，该模型可以较为准确的预测合金的流变应力。铸造TiAl基合金的高温变形机制以层片晶团的扭折、弯曲及动态再结晶过程为主。并且依据加工图成功模拟了实验合金在工业调下的锻造。
　　对Nb颗粒韧化PM-TiAl基合金的流变应力进行了摩擦和温度修正，其高温塑性变形流变应力随着温度升高而减小，随应变速率增大而增大。Nb颗粒韧化PM-TiAl基合金的高温变形应力与应变速率和变形温度之间较好地满足双曲正弦函数关系，在真应变为0.7时，其高温变形本构方程为:(ε)=e34.71[sinh(0.0087σ)]2.47 exp(-455.46/RT)Nb颗粒韧化合金高温塑性变形流变行为可以用以应变为自变量的五次多项式进行描述，该模型可以较为准确的预测合金的流变应力。基于经温度和摩擦修正后的流变应力构建出合金在应变为0.7时的加工图，低应变速率、高温区功率耗散效率η较大，其值为60～75％，此区域为热加工的安全区。Nb颗粒的添加降低了合金的变形抗力，提高了PM-TiAl基合金的塑性变形能力。
　　对Ti-43 Al-4Nb-1.4W-0.6B-0.1Y铸态合金直接进行热处理，可以减少合金中β(B2)相的含量但不能消除β(B2)相。合金在热变形过程中，β(B2)相发生变形甚至被破碎，产生应力集中，在随后的热处理过程中，更有利于β(B2)相的消除，对变形条件为1200℃，0.1s-1的试样进行1250℃/2h热处理后，其β(B2)相的体积分数只有2.3％，并且得到的合金为双态组织。对变形后的合金进行1300℃的热处理，虽然β相进一步减少，但合金的组织变大，变为全片层组织。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 TiAl 基金属间化合物的研究背景

1．2 TiAl基合金的相及组织

1．2．1 TiAl基合金的相图及晶体结构

1．2．2 TiAl基合金的组织

1．3 TiAl基合金的制备工艺

1．4 添加合金元素对TiAl基合金性能的影响

1．5 高Nb-TiAl基合金

1．5．1 铌对合金晶体结构的影响

1．5．2 铌对合金性能的影响

1．6 钛铝合金的高温变形行为

1．6．1 高温变形的力学模型

1．6．2 DMM加工图理论及应用

1．7 本论文的研究目的和意义

第二章 试验过程

2．1 研究路线

2．2 实验材料的制备

2．2．1 TiAl基合金铸锭的制备

2．2．2 PM-TiAl基复合材料的制备

2．3 热模拟试验

2．4 显微组织观察及相分析

2．4．1 金相及扫描电镜试样的制备及观察

2．4．2 X射线衍射分析(XRD)

2．4．3 透射电镜分析(TEM)

第三章 Ti-43Al-4Nb-1．4W-0．6B合金的变形行为及组织的研究

3．1 引言

3．2 B含量对TiAl合金组织的影响

3．3 铸态TiAl基合金的热塑性流变行为

3．3．1 铸态TiAl基合金的真应力—真应变曲线

3．3．2 铸态TiAl基合金的本构方程

3．3．3 铸态TiAl基合金的加工图

3．4 铸造TiAl合金热加工过程中的组织转变

3．4．1 变形温度及应变速率对组织的影响

3．4．2 变形程度对组织的影响

3．5 分析与讨论

3．5．1 微量B细化铸态Ti-43Al-4Nb-1．4W-xB合金组织的机理

3．5．2 铸态Ti-43Al-4Nb-1．4W-0．6B合金热变形机制

3．5．3 β相对铸态Ti-43Al-4Nb-1．4W-0．6B合金高温变形行为的影响

3．6 本章小结

第四章 Nb颗粒韧化PM-TiAl复合材料的变形行为及组织的研究

4．1 引言

4．2 PM-TiAl合金的塑性流变行为

4．2．1 PM-TiAl基合金的真应力—真应变曲线

4．2．2 PM-TiAl基合金的本构方程

4．2．3 PM-TiAl基合金的加工图

4．3 PM-TiAl复合材料热加工过程中的组织转变

4．3．1 Nb颗粒的变化

4．3．2 温度及应变速率对基体组织的影响

4．3．4 与不含Nb的TiAl合金的热变形行为对比

4．4 分析与讨论

4．4．1 依据加工图分析PM-TiAl复合材料变形机制

4．4．2 Nb颗粒对PM-TiAl复合材料变形的影响

4．5 本章小结

第五章 铸态Ti-43Al-4Nb-1．4W-0．6B-0．1Y合金β(B2)相消除的研究

5．1 引言

5．2 实验方法

5．3 热处理前后铸态TiAl合金中的β相的演化

5．3．1 铸态合金的显微组织

5．3．2 铸态合金热处理组织

5．3．3 变形合金的热处理组织

5．4 分析与讨论

5．5 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要研究成果