TiAl基合金的制备及高温变形行为研究

摘要

TiAl基合金的难加工问题一直是制约其大规模应用的主要原因。本文将三种采用不同工艺制备的TiAl基合金进行对比研究，通过分析其高温变形流变曲线、材料常数(如形变激活能等)，结合其相应组织的演化规律等，阐述了影响TiAl基合金高温流变应力和形变激活能的因素，提出了提高TiAl基合金热加工性能的有效途径。研究内容包括：(1)采用冷坩埚磁悬浮熔炼方法制备了成分为Ti-45Al-7Nb-0.4W-0.1 5B(at.％，下同)的高Nb-TiAl基合金铸锭；通过热模拟试验、OM、SEM、TEM及X射线衍射等手段，研究了该合金高温塑性变形过程中的流变应力与应变、应变速率及温度的相关性以及动态再结晶等形变机制；利用回归分析的方法得出了高温变形的材料常数；同时试验了其在常规压力加工条件下的热加工工艺，系统分析了锻态合金在随后的热处理过程中的组织演化机理。(2)采用预合金粉末结合准等静压工艺制备了Ti-46A1.2Cr-2Nb-0.2W-0.15B合金；探讨了其高温变形行为，得出了其高温形变材料常数；分析并讨论了其在高温变形过程中的组织演变规律和形变机制；(3)发明了控制烧结元素粉末冶金新工艺，并采用此种工艺制备了Ti-45Al-7Nb-0.4W合金；研究了其反应合成过程及致密化机制；分析了其高温变形行为及材料常数；最终也探讨了变形过程中的组织演变规律和形变机制。通过以上研究得到如下结论： 1)铸态Ti-45A1-7Nb-0.4W-0.15B合金具有良好的热加工性能，可以在T≥1000℃和ε≤1×10-1s-1区间内进行压缩变形；该合金属负温度敏感材料和正应变速率敏感材料，其流变应力曲线的升高、降低及稳定过程对应了加工硬化和应变软化的交替控制和动态平衡过程；采用Zener-Hollomon参数法计算了合金的热激活能为Q=384kJ.mol-1，计算结果与文献接近；回归分析结果表明，该合金高温流变应力与参数ε、T与Q之间满足用双曲正弦函数形式修正的Arrhenius关系；其高温变形机制是以层片晶团的扭折、弯曲、球化及再结晶等过程为主；晶界块状B2相由于其良好的高温塑性在高温变形中起了积极的作用；变形组织的微结构分析表明，孪生变形是TiAl基合金高温变形的重要方式之一。 2)铸造Ti-45Al-7Nb-0.4W-0.15B合金在常规压力加工条件下运用包套锻造工艺可以进行大变形量热加工。对锻造合金的热处理研究表明：在α2+γ两相区热处理时，晶粒随温度升高而逐渐长大，且在1230℃左右迅速粗化；残留B2相的消除受偏析元素的扩散控制。试验证明，锻造组织在1230℃左右热处理可以得到完全消除B2相、晶粒尺寸长大不明显的均匀细晶组织。 3)采用准等静压工艺制备了近全致密的Ti-46Al-2Cr-2Nb-0.2W-0.15B合金，其微观组织为细小的近γ组织；此种合金具有较好的热加工性能，在T≥1000℃和ε≤1×10-2s-1的条件下可以保证变形不开裂；与铸造Ti-45A1-7Nb-0.4W-0.1 5B合金相比，本合金表现出了低得多的流变应力和变形激活能，其热激活能Q=319kJ.mol-1，计算结果与文献报道的细晶近γ或双态组织的热激活能数据接近；该合金的高温压缩变形主要受晶界的滑移和晶粒的动态再结晶等机制控制。 4)通过控制烧结元素粉末冶金新工艺制备了较大尺寸的Ti-45Al-7Nb-0.4W合金，其致密度达到98％以上。烧结机制分析表明：烧结过程中，颗粒破碎重排机制，压力导致的致密化驱动力的增加等因素促进了合金的致密化；此合金的热加工性能相对较差，其可加工区间为：T≥1100℃和ε≤1×10-2s-1，变形激活能Q=420kJ.mol-1；变形组织分析表明，其变形机制与具有层片组织的铸造TiAl基合金高温变形机制类似。 5)TiAl基合金的高温流变应力及激活能受到合金的制备工艺、组织状态和成分等因素的影响。晶粒细小的近γ-TiAl基合金及双态TiAl基合金的流变应力及激活能要远低于粗大的层片TiAl基合金；采用元素粉末制备的TiAl基合金中高的氧含量引起的高的层片稳定性导致了合金较高的流变应力和热激活能；同时，高Nb合金化也会使合金的流变应力及激活能提高。通过细化原始晶粒尺寸及提高组织均匀性、合理添加合金元素及严格控制各合金元素含量、减少锻坯的内部缺陷、合理选择加工工艺等手段可以明显提高TiAl基合金的高温变形性能。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章文献综述

1.1引言

1.2 TiAl基合金的发展和应用状况

1.2.1研究背景

1.2.2 TiAl基合金应用

1.3 TiAl基合金的制备及加工技术进展

1.3.1 TiAl基合金的熔炼制备工艺

1.3.2铸锭冶金工艺

1.3.3粉末冶金工艺

1.3.4 TiAl基合金的近净成型

1.4 TiAl基合金的热塑性变形

1.5金属材料的高温塑性变形行为研究概论

1.5.1高温塑性变形的研究内容及研究方法

1.5.2高温塑性变形过程的力学行为分析

1.5.3材料热变形过程的动态软化行为

1.5.4物理模拟技术在材料热加工变形研究中的应用

1.6本论文研究的目的、意义及内容

第二章试验方法

2.1高温压缩变形试验方法

2.2热模拟数据的分析与处理

2.3显微组织的观察与结构分析

2.3.1金相及扫描电镜试样的制备及观察

2.3.2 X射线衍射分析(XRD)

2.3.3差热分析(DSC)

2.3.4 TEM试样的制备与观察

第三章铸造Ti-Al-Nb-W-B合金的制备及热变形行为研究

3.1合金制备与组织分析

3.2 Ti-Al-Nb-W-B合金的高温塑性流变行为

3.2.1 Ti-Al-Nb-W-B合金的热变形性能

3.2.2真应力-真应变曲线及其特征分析

3.2.3热变形条件对高温流变应力曲线特征的影响

3.2.4热变形材料常数的求解

3.3热变形条件对变形组织的影响

3.3.1变形温度对组织的影响

3.3.2应变速率对组织的影响

3.3.3变形量对组织的影响

3.4动态软化行为分析与讨论

3.5 Ti-Al-Nb-W-B合金的热加工工艺探索

3.5.1 TiAl基合金的包套热模拟试验

3.5.2大尺寸铸锭的包套锻造

3.5.3锻造合金的热处理组织调整及晶粒长大趋势分析

3.5.4讨论

3.6本章小结

第四章预合金粉末冶金TiAl基合金的致密化工艺及热变形行为研究

4.1预合金化粉末冶金TiAl基合金的致密化工艺研究

4.1.1原料粉末的制备

4.1.2致密化工艺研究

4.2预合金粉末冶金TiAl基合金热变形行为研究

4.2.1预合金粉末冶金TiAl基合金的热变形性能

4.2.2真应力—真应变曲线及其特征分析

4.2.3热变形条件对高温流变应力曲线特征的影响

4.2.4热变形材料常数的求解

4.3热变形条件对变形组织的影响

4.4 讨论

4.5本章小结

第五章元素粉末冶金TiAl基合金的致密化工艺及热变形行为研究

5.1控制烧结法制备高致密元素粉末冶金TiAl基合金的研究

5.1.1原料的选取

5.1.2致密化工艺研究

5.1.3试验结果及讨论

5.2元素粉末冶金Ti-45Al-7Nb-0.4W合金的热变形行为研究

5.2.1元素粉末冶金Ti-45Al-7Nb-0.4W合金的热变形性能

5.2.2真应力—真应变曲线及其特征分析

5.2.3热变形条件对高温流变应力曲线特征的影响

5.2.4热变形材料常数的求解

5.3热变形条件对变形组织的影响

5.4讨论

5.5本章小结

第六章影响TiAl基合金高温流变行为和热变形激活能的因素分析

6.1 TiAl基合金流变应力曲线差异的原因分析

6.1.1铸造高Nb-TiAl合金包套锻造与无包套锻造时的载荷—位移曲线对比分析

6.1.2预合金粉末冶金TiAl基合金与铸造TiAl基合金高温变形流变曲线的对比分析

6.1.3预合金粉末冶金TiAl基合金与元素粉末TiAl基合金变形流变曲线的对比分析

6.2影响TiAl基合金热变形激活能的因素分析

6.3提高TiAl基合金的热变形能力的方法

6.4本章小结

第七章结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间的主要业绩