基于三種典型顯微組織的Ti-22Al-25Nb合金力學性能研究.pdf

1、Ti2AlNb合金具有優(yōu)良的室溫、高溫綜合性能包括良好的室溫塑性和成形能力,較高的高溫拉伸和疲勞強度,較好的室溫斷裂韌性和抗裂紋擴展能力,較高的蠕變抗力和抗氧化性及較低的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點,逐漸成為替代Ni基高溫合金的航空、航天結(jié)構(gòu)材料之一。由于Ti2AlNb金屬間化合物存在本征脆性,合金從鑄錠到零件要經(jīng)過熱等靜壓、等溫鍛造、熱擠壓或熱扎制、熱成形及熱處理一系列熱加工過程。不同的熱加工工藝對顯微組織的影響較大,而不同的組織形態(tài)又決定合金具

2、有不同的力學性能。之前的研究工作偏重于調(diào)節(jié)合金成分以及添加合金元素改變各項力學性能,對通過不同熱加工以及熱處理來調(diào)節(jié)合金組織和性能的研究報道較少。因此本文以Ti-22Al-25Nb合金棒材為研究對象,采用不同的熱加工方法獲得三種典型組織:等軸、雙態(tài)以及板條組織,隨后采用不同熱處理技術(shù)調(diào)節(jié)合金的顯微組織特征參數(shù),系統(tǒng)研究合金顯微組織演變規(guī)律,對不同組織形態(tài)合金的室溫、高溫拉伸以及蠕變行為進行分析,為該合金的進一步應用提供一定的理論基礎。本

3、研究得到的主要結(jié)論如下:
　　在α2+O+B2三相區(qū)等溫鍛造后O+B2相區(qū)熱處理可以得到等軸組織,等溫鍛造溫度決定等軸α2相顆粒的數(shù)量,固溶處理控制等軸O相顆粒的含量,調(diào)節(jié)時效溫度可以控制二次析出針狀O相的尺寸和形態(tài);在α2+B2相區(qū)等溫鍛造后O+B2相區(qū)熱處理可以得到雙態(tài)組織,組織中等軸顆粒的尺寸和數(shù)量由等溫鍛造溫度決定,粗板條O相可以通過固溶處理調(diào)節(jié),二次析出的細板條O相由時效溫度控制;在B2單相區(qū)等溫鍛造后通過兩次熱處理可以

4、得到板條組織,初生粗板條主要在920~960℃固溶得到,次生O相細板條在760~840℃時效得到。
　　等軸組織在三相區(qū)(α2+O+B2)等溫鍛時,α2和B2相通過包析反應生成的rim-O,O+B2相區(qū)固溶及時效處理能夠調(diào)節(jié)rim O相形態(tài)及尺寸;雙態(tài)組織兩相區(qū)(O+B2)熱處理時,等軸α2相顆粒分解,其主要原因為:等軸α2顆粒內(nèi)有過飽和的Nb元素,通過Nb擴散使α2相形成富Nb區(qū)(O相)和貧Nb區(qū)(α2相)。
　　研究了不

5、同組織形態(tài)的拉伸性能及變形、斷裂機制。在相同熱處理制度下,板條組織表現(xiàn)出較好的室溫和高溫拉伸強度;等軸組織強度最低,雙態(tài)組織的強度和塑性介于兩者之間,表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。室溫拉伸變形時,等軸組織中B2相的滑移帶呈波浪形,表明B2相中多滑移系開動和交滑移發(fā)生。O相與B2相之間存在良好的協(xié)調(diào)變形關(guān)系,其滑移帶可直接與B2相中的滑移帶相連。雙態(tài)組織中,初生α2/O相顆粒和細小二次O相板條,增強了對位錯運動的阻礙。基體上B2相的良好變形性分散

6、了O相板條的應力集中,使其滑移變形性提高。在板條組織中,滑移線從B2基體轉(zhuǎn)移到O相上,減少了O相板條上的應力集中,延緩了裂紋萌生。變形中,次生O相位錯密度較高,在板條組織變形中起主要強化作用。
　　研究了不同變形條件對高溫拉伸性能的影響,發(fā)現(xiàn)在應變速率相同時,隨著變形溫度升高,合金的流變應力降低而延伸率提高;溫度不變,應變速率增大時,合金強度提高,塑性降低。不同變形條件對顯微組織的影響表現(xiàn)為:變形溫度相同時,應變速率增大,合金的變

7、形程度增大。具體為:粗板條被拉長,等軸顆粒變扁變長的程度大。應變速率相同時,變形溫度降低,合金的變形程度增大。
　　研究了不同顯微組織形態(tài)的蠕變行為,得出板條組織具有最優(yōu)的抗蠕變性能,等軸組織的抗蠕變性能最差;隨著時效溫度升高,板條組織與雙態(tài)組織的變化趨勢一致,隨著時效溫度升高,合金的抗蠕變性降低;但是等軸組織隨時效溫度升高,變化趨勢相反。不同顯微組織在650℃下的蠕變應力因子n分別為:板條組織n=3.84,雙態(tài)組織n=4.28,

8、等軸組織n=5.14;不同顯微組織在150MPa下的蠕變激活能Q分別為:板條組織Q=230.85KJ/mol,雙態(tài)組織Q=318.69 KJ/mol,等軸組織Q=329.72KJ/mol。三種不同組織形態(tài)下Qapp的值從230.85~329.72 KJ/mol,應力因子n從3.84~5.14,蠕變機制對應于位錯攀移控制的蠕變。同時研究了蠕變對相演變規(guī)律的影響,發(fā)現(xiàn)蠕變誘發(fā)等軸a2相顆粒分解,使等軸α2相形成細板條狀的α2+O混合結(jié)構(gòu)。<