基于团簇结构模型的高温近α-Ti合金成分规律探究及设计

摘要

高温近α-Ti合金具有优异的抗氧化性能、耐蚀性能和综合力学性能，目前使用温度已达600℃，是航空发动机的主要结构材料。为满足其使役性能，通常添加多种溶质元素共同合金化，包括HCP-α稳定元素Al，BCC-β稳定元素Mo、Nb、Si，中性元素Sn、Zr，以及微量稀土元素Y、Ce、Nd等。多组元共同合金化势必带来了合金成分的复杂性，故人们提出了Al当量法、d电子合金理论、电子浓度法与BP神经网络法等诸多成分设计方法，以实现多个共同添加的元素合理匹配，从而确保高温Ti合金的结构稳定性。高温近α-Ti合金为固溶体合金，根据固溶体结构的局域化学短程序特征，本工作利用本组提出的的“团簇加连接原子”稳定固溶体结构模型来探究近α-Ti合金的成分规律。在此团簇结构模型中，与基体Ti具有强交互作用的溶质原子位于团簇心部，与基体Ti形成最近邻配位多面体团簇，以代表固溶体结构的化学短程序，与基体具有弱交互作用的溶质原子则位于团簇之间的间隙位置，作为连接原子，与Ti同族的元素则与基体一起位于团簇壳层位置，从而可给出团簇成分式[团簇]（连接原子）x（x为连接原子个数）。选取典型600℃使用的近α-Ti合金Ti1100作为参比合金，其团簇成分式可表达为[Al-(Ti13.7Zr0.3)](Al0.69Sn0.18Si0.12Mo0.03)，恰为连接原子x=1的情形。在此基础上，利用相似元素替代原则分别将Ta和Nb替换Mo、Hf替换Zr，得到[Al-(Ti13.7(Zr，Hf)0.3)](Al0.69Sn0.18Si0.1(Mo，Ta,Nb)0.03)三个系列合金成分，分别为Zr0.3系列、Hf0.3系列和Zr0.15Hf0.15系列。利用真空铜模吸铸快冷技术制备直径为6mm的合金棒，在950℃/1h固溶处理并水淬，并在560℃/6h进行时效处理;利用X射线衍射仪(XRD)检测系列合金的相结构组成，金相显微镜(OM)观察合金组织形貌;高温抗氧化实验在马弗炉(KSL-1400X-A2)中进行，实验温度分别为650℃和800℃，并利用扫描电子显微镜观测样品氧化层形貌及厚度;利用Gamry电化学工作站测试合金腐蚀性能;MTS拉伸试验机测试合金在室温与高温下的力学性能。
　　实验结果表明，Hf、 Ta、Nb元素的添加降低了合金β结构稳定性，使合金从片层β转变组织转变为等轴α与片层组织共存的双态组织，但系列合金的硬度变化不明显，约为330-370 HV常温拉伸性能相较于Ti1100合金强度和塑性均有提高，650℃高温拉伸性能强度与Ti1100相当，高温下塑性大大提升。在Ta/Nb替代Mo的Zr0.3系列中，[Al-(Ti13.7Zr0.3)](Al0.69Sn0.18Mo0.01Ta0.01Nb0.01Si0.1)合金在650℃和800℃抗氧化能力均较强，其在800℃下的氧化增重仅为5.6 mg/cm2，氧化层厚度仅为17μm，是参比合金Ti1100的1/3，且自腐蚀电压较参比合金有所提高，高温拉伸强度与参比合金持平，约为550MPa，但塑性大大提升，延伸率δ=45％。在此基础上，在Hf替代Zr形成的Hf0.3系列中，Hf元素的添加进一步提升了系列合金的抗氧化性能及耐蚀性能，其中Al-(Ti13.7Hf0.3)-(Al0.69Sn0.18Ta0.015Nb0.015Si0.1)合金在800℃抗氧化性能最强，氧化增重为2.6 mg/cm2，氧化层厚度仅为15μm; Zr0.15Hf0.15系列中Zr、Hf、Ta与Nb共同作用下合金为双态组织，优异的综合力学性能和抗高温氧化能力。

目录

声明

摘要

引言

1 绪论

1．1 钛合金的分类及其应用

1．1．1 传统钛合金

1．1．2 钛铝化合物基钛合金

1．1．3 钛合金应用

1．2 高温钛合金的发展历史与现状

1．2．1 国外高温钛合金发展

1．2．2 国内高温钛合金发展

1．2．3 高温钛合金发展趋势

1．3 高温钛合金的合金元素、组织与性能

1．3．1 高温钛合金中的元素种类与作用

1．3．2 高温钛合金中常见的微观组织与性能

1．4 高温钛合金的合金设计方法

1．4．1 Al当量法

1．4．2 d-电子理论合金设计法

1．4．3 电子浓度e／a法

1．4．4 BP神经网络法

1．4．5 团簇加连接原子结构模型

1．5 选题意义及本课题研究内容

1．5．1 选题意义

1．5．2 主要研究内容

2 基于团簇加连接原子结构模型的合金成分设计

2．1 α-Ti固溶体合金的“团簇+连接原子”结构模型

2．2 高温钛合金成分设计与优化

3 实验方法

3．1 合金制备

3．2 热处理工艺

3．3 组织分析

3．4 硬度分析

3．5 XRD分析

3．6 氧化性能测试

3．7 电化学腐蚀性能测试

3．8 力学性能测试

4 [Al-(Ti13．7Zr0．3)](Al0．69Sn0．18Si0．1(Mo／Ta／Nb)0．03)系列合金

4．1 [Al-(Ti13．7Zr0．3)](Al0．69Sn0．18Si0．1(Mo／Ta／Nb)0．03)系列合金结构与组织研究

4．1．1 XRD分析

4．1．2 组织分析

4．1．3 硬度分析

4．1．4 元素分布

4．2 抗氧化性能分析

4．3 腐蚀性能分析

4．4 力学性能分析

4．5 本章小结

5 [Al-(Ti13．7Hf0．3)](Al0．69Sn0．18Si0．1(Mo／Ta／Nb)0．03)系列合金

5．1 [Al-(Ti13．7Hf0．3)](Al0．69Sn0．18Si0．1(Mo／Ta／Nb)0．03)系列合金结构与组织研究

5．1．1 XRD分析

5．1．2 组织分析

5．1．3 硬度分析

5．2 抗氧化性能分析

5．3 腐蚀性能分析

5．4 本章小结

6 [Al-(Ti13．7Zr0．15Hf0．15)](Al0．69Sn0．18Si0．1(Mo／Ta／Nb)0．03)系列合金

6．1 [Al-(Ti13．7Zr0．15Hf0．15)](Al0．69Sn0．18Si0．1(Mo／Ta／Nb)0．03)系列合金结构与组织研究

6．1．1 XRD分析

6．1．2 组织分析

6．1．3 硬度分析

6．1．4 元素分布

6．2 抗氧化性能分析

6．3 腐蚀性能分析

6．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢