热处理对TiAl基合金组织与性能的影响

摘要

TiAl基金属间化合物是一种新型的轻质高温结构材料，比重不到镍基高温合金的50％，具有高的比强度、高的比刚度、良好的耐腐蚀性、耐磨性、耐高温以及较好的抗氧化和抗蠕变等优点，是替代镍基高温合金的理想材料。在工业应用中，铸造工艺具有经济性和近净成形性的优势，但是铸造TiAl基合金组织粗大，其室温塑性几乎为零，因此只有有效的细化合金组织，提高其综合性能，才能将铸造TiAl基合金应用于高温结构材料。同时关于TiAl基合金工艺-组织-性能关系的研究却比较少，大大限制了TiAl基合金的应用。本文选取了名义成分为Ti-48Al-2Cr-2Nb(at％)的第二代TiAl基合金，研究热处理工艺以及微合金化（V元素）对合金组织与性能的影响，找到了一种有效细化铸造TiAl基合金组织的热处理制度，系统的探明了V对铸造TiAl基合金组织与性能的影响，利用循环热处理突破了Ti-48Al-2Cr-2Nb(at％)合金强度与塑性相互制约的瓶颈，建立了Ti-48Al-2Cr-2Nb(at％)合金工艺-组织-性能关系。
　　实验结果表明，冷却方式对Ti-48Al-2Cr-2Nb(at％)合金的组织与硬度有显著的影响，随着冷却速度的增加，合金的硬度增大，同时炉冷(FC)对TiAl基合金组织的细化效果较为理想。1306℃-1320℃/10min/FC可以细化Ti-48Al-2Cr-2Nb(at％)合金的铸态组织，而1330℃-1340℃/10min/FC对合金组织的细化效果不是很明显。采用1310℃/10min/FC+1310-1320℃/10min/FC两步热处理，可以将粗大的铸态组织，由1000μm细化至20-30μm，同时合金组织均匀，并且显著减小了β相偏析。
　　随着V含量的增加，合金中β相的含量增加;同时V减小了在β→α相变过程中α相的长大速率，增加了α相的稳定性，抑制了高温α相晶粒的长大，合金的晶粒尺寸明显减小。由于V的固溶强化效果，合金的片层间距明显减小。元素V通过以上两个方面，显著提高了合金的维氏硬度。V也有利于块状组织的形成，但同时显著增加了合金中裂纹的数量，增加了合金淬火裂纹倾向性，限制了淬火工艺的应用。通过1310℃/10min/FC+1310℃/10min/FC热处理可以显著细化Ti-48Al-2Cr-2Nb-1V合金，且组织均匀，晶粒尺寸控制在30-40μm。
　　合金的原始组织形态对Al含量非常敏感，1330℃-1350℃对Ti-48Al-2Cr-2Nb合金进行热处理，获得了组织细小，延伸率较好的双态组织;1370℃以上热处理获得显微硬度和强度较高的近片层组织和全片层组织;同时发明了Ti-48Al-2Cr-2Nb(at％)合金的循环热处理，得到了组织均匀，晶粒细小的近片层组织，突破了室温强度与塑性相互制约的瓶颈，实现了高强韧的理想匹配(σb=561Mpa，σ0.2=450Mpa，δ5=2.5％)。对原始组织不同的两种铸造合金进行热处理，发现相同的热处理制度下，合金的组织形态完全相同，但晶粒尺寸存在差别。建立了铸造Ti-48Al-2Cr-2Nb合金工艺-组织-性能的关系。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 TiAl基合金的研究与发展现状

1．2．1 TiAl基合金的发展进程

1．2．2 TiAl基合金中的相组成

1．2．3 TiAl基合金的典型组织

1．2．4 TiAl基合金的性能

1．3 TiAl基合金组织与性能调控

1．3．1 合金元素对TiAl基合金组织与性能的影响

1．3．2 热处理对TiAl基合金组织与性能的影响

1．4 研究目的、意义及内容

1．4．1 研究目的及意义

1．4．2 研究内容

2 实验材料及实验方法

2．1 实验方案设计

2．2 材料制备及实验过程

2．2．1 实验材料

2．2．2 实验设备及过程

2．3 表征与分析

2．3．1 DSC热分析

2．3．2 X射线衍射分析

2．3．3 OM和SEM分析

2．3．4 显微硬度分析

2．3．5 力学性能分析

3 热处理对Ti-48Al-2Cr-2Nb合金组织与性能影响

3．1 1320℃不同冷却方式对Ti-48Al-2Cr-2Nb组织与性能的影响

3．1．1 冷却方式对合金微观组织的影响

3．1．2 冷却方式对合金物相的影响

3．1．3 冷却方式对合金维氏硬度的影响

3．2 第一次热处理中热处理温度对Ti-48Al-2Cr-2Nb合金组织与性能的影响

3．2．1 热处理温度对合金微观组织的影响

3．2．2 热处理温度对合金物相的影响

3．2．3 热处理温度对合金维氏硬度的影响

3．3 第二次热处理中热处理温度对Ti-48Al-2Cr-2Nb合金组织与性能的影响

3．3．1 热处理温度对合金微观组织的影响

3．3．2 热处理温度对合金物相的影响

3．3．3 热处理温度对合金维氏硬度的影响

3．3 本章小结

4 热处理对Ti-48Al-2Cr-2Nb-xV合金组织及性能影响

4．1 V对合金组织与性能的影响

4．1．1 V对合金铸态组织与性能的影响

4．1．2 V对合金片层间距的影响

4．1．3 V对块状组织的影响

4．2 第一次热处理对合金组织与性能的影响

4．2．1 热处理温度对合金组织的影响

4．2．2 热处理温度对合金性能的影响

4．3 第二次热处理对合金组织与性能的影响

4．3．1 热处理温度对合金组织的影响

4．3．2 热处理温度对合金性能的影响

4．4 本章小结

5 Ti-48Al-2Cr-2Nb合金工艺-组织-性能的关系

5．1 合金的铸态显微组织

5．2 热处理对铸态近γ合金组织与性能的影响

5．2．1 热处理温度对铸态近γ合金组织与性能的影响

5．2．2 热处理时间对铸态近γ合金组织与性能的影响

5．3 热处理对铸态双态合金组织与性能的影响

5．3．1 热处理温度对铸态双态合金组织与性能的影响

5．4 循环热处理对合金组织与性能的影响

5．5 初始组织形态对热处理后合金组织的影响

5．6 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况