汽车用粉末冶金Ti-Fe-Mo-Al合金的研究

摘要

本文采用元素混合法烧结及粉末锻造方法制备Ti-Fe-Mo-Al合金零件，用热膨胀仪分析了其收缩/膨胀特性、用DTA热分析，X射线衍射(XRD)分析，SEM、TEM电镜及力学性能检测等分析手段研究了材料的致密化过程、力学性能和显微组织。研究了不同合金元素Fe、Mo、Al及添加稀土元素Nd对粉末钛合金烧结行为及力学性能的影响，并得到了烧结性能和力学性能优良的粉末钛合金。同时，还研究了添加第二相颗粒原位生成TiC颗粒增强Ti-Fe-Mo-Al合金的组织与性能，试制了粉末冶金钛合金汽车进、排气阀座。得出了如下结论： 1)合金元素铝由于偏扩散产生空洞，降低了粉末钛的烧结致密度。合金元素铁能促进致密化过程，但铁使粉末钛的显微组织严重粗化，导致其室温塑性显著降低。合金元素Mo有利于粉末钛的显微组织细化，从而提高了钛合金的拉伸性能。 2)稀土元素钕可促进粉末钛及钛合金的致密化，并可细化晶粒。烧结后稀土钕以氧化物颗粒形式存在于钛基体中。颗粒尺寸从几百纳米到20微米，起到了弥散强化作用。同时稀土元素夺取了钛基体中的氧，使氧的国溶强化作用减弱，同时提高了粉末钛合金基体的塑性，二者共同作用的结果使强度变化不大，而延伸率得到大大改善。不含稀土的粉末钛合金室温延伸率在4-6％左右，添加稀土后纯钛及Ti-Fe-Mo-Al合金的延伸率达到14-21％，相当于该合金锻造退火态性能水平。 3)粉末锻造Ti-Fe-Mo-Al合金的强度和延伸率与粉末烧结同成分合金的相当，而断面收缩率及疲劳强度比烧结钛合金有明显提高。 4)根据合金元素对粉末钛烧结致密化促进作用及对合金性能的影响，设计了新型低成本的粉末冶金Ti-1.5Fe-2.25Mo-1.2Nd-0.4Al合金。该合金烧结态室温拉伸性能达到了熔锻钛合金TC4的水平。 5)阐明了Cr3C2在粉末冶金Ti-Fe-Mo-Al中的行为和作用。在新设计的Ti-1.5Fe-2.25Mo-1.2Nd-0.4Al合金中添加Cr3C2粉末，能原位生成TiC颗粒，同时Cr固溶到Ti中，形成TiCr固溶体。随着Cr3C2粉末含量的增加，合金中分布在晶界处的TiC颗粒数量增加，阻碍了基体晶粒的长大，使得钛合金晶粒细化。该合金中存在条状TiC第二相及细小的稀土氧化物第二相，使合金的强度得到提高，但延伸率降低。 6)通过粉末锻造和颗粒强化，可显著提高粉末钛合金的耐磨性能，所研制的粉末冶金钛合金阀座材料耐磨性优于其它材料，其高温耐磨性更为优越。新合金的零件应用研究展示出该合金的广泛应用前景。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权说明

第一章 文献综述

1.1前言

1.2钛合金在现代汽车上的应用前景

1.2.1钛材在汽车中的应用状况

1.2.2汽车用钛的成本分析

13粉末冶金钛合金研究历史及现状

1.3.1粉末冶金钛合金制备技术历史与现状

1.3.2粉末冶金钛合金材料研究现状

1.4粉末冶金钛合金致密化机理研究

1.4.1塑性变形致密化机制

1.4.2相变致密化机制

1.4.3强化烧结机制

1.5粉末冶金钛合金有待研究的问题

1.6本文研究的目的、方案及主要研究内容

第二章基本工艺及实验方法

2.1基本工艺路线

2.2原料粉末的选取

2.3 主要设备

2.4基本分析手段及方法

2.4.1密度检测

2.4.2金相试样制备

2.4.3扫描电镜(SEM)观察

2.4.4透射(TEM)电镜观察

2.4.5力学性能测试

2.4.6热膨胀分析

2.4.7示差热分析(DSC)及差热分析

2.4.8 X射线衍射技术

第三章合金元素对粉末钛合金致密化行为及性能的影响

3.1 实验过程

3.2合金元素Al对粉末钛合金烧结行为及性能的影响

3.2.1合金元素Al对烧结行为的影响

3.2.2 Al对粉末冶金钛合金力学性能的影响

3.3合金元素Fe对粉末钛合金烧结致密化行为及性能的影响

3.3.1合金元素Fe对粉末钛合金烧结致密化行为的影响

3.3.2 Fe对Ti-xFe二元合金显微组织及力学性能的影响

3.4钼对粉末钛合金烧结行为的影响

3.4.1 Mo对钛合金致密化行为的影响

3.4.2钼对粉末钛合金力学性能和显微组织的影响

3.5添加Fe、Mo、Al对粉末钛合金的影响

3.6本章小结

第四章稀土Nd对粉末烧结Ti-Fe-Mo-Al合金组织及性能的影响

4.1实验过程

4.2稀土元素Nd对钛粉末烧结致密化及性能的影响

4.2.1稀土元素Nd对粉末钛烧结密度的影响

4.2.2稀土元素Nd对粉末钛合金孔隙大小及形貌的影响

4.2.3稀土Nd对纯钛组织结构及力学性能的影响

4.2.4添加稀土Nd的粉末钛合金的烧结致密化机制

4.2.5稀土Nd对粉末Ti合金力学性能的影响分析

4.3稀土Nd对多元钛合金致密化行为的影响

4.4稀土Nd对多元钛合金显微组织及相结构的影响

4.5稀土Nd对多元钛合金力学性能的影响

4.5.1稀土Nd含量对粉末钛合金室温拉伸性能的影响

4.5.2原始粉末粒度对粉末钛合金室温力学性能的影响

4.5.3烧结温度对粉末钛合金室温拉伸性能的影响

4.5.4含稀土Nd的多元钛合金拉伸断口分析

4.6本章小结

第五章原位生成Ti C颗粒增强Ti基复合材料的研究

5.1前言

5.2实验过程

5.3实验结果及讨论

5.3.1原位生成TiC颗粒增强Ti-Fe-Mo-Al-Nd复合材料的显微组织

5.3.2原位生成TiC颗粒增强Ti-Fe-Mo-Al-Nd复合材料的力学性能

5.3.3原位生成TiC颗粒增强钛基复合材料的强化机制

5.4本章结论

第六章粉末冶金Ti合金零件的应用性能研究

6.1前言

6.2粉末冶金钛合金零件的成分优化

6.2.1新型粉末冶金Ti-Fe-Mo-Al合金的设计原则

6.2.2实验过程

6.2.3实验结果

6.3粉末锻造工艺研究

6.3.1实验过程

6.3.2锻造及热处理后合金金相及扫描电镜组织

6.3.3粉末锻造钛合金的拉伸性能

6.4粉末冶金钛合金的疲劳性能

6.4.1试验过程

6.4.2试验结果及分析

6.4.3疲劳断口组织观察

6.5粉末冶金Ti-Fe-Mo-Al合金耐磨性能研究

6.5.1实验过程

6.5.2实验结果

6.6粉末冶金钛合金汽车进、排气阀座圈的研制

6.6.1实验过程

6.6.2汽车阀座圈钛合金显微硬度

6.6.3阀座模拟台架试验

6.7本章小结

第七章结论

参考文献

附录：模拟台架实验结果

致 谢

博士研究生期间发表的论文及成果