Ti-45Al-10Nb合金的粉末冶金法制備與組織性能研究.pdf

1、TiAl基合金是一種輕質高溫結構材料，具有低密度、高比強度、高比剛度、優(yōu)異的高溫抗蠕變和抗氧化能力等優(yōu)點，在汽車及航空航天領域具有重要的應用前景。高鈮含量TiAl合金作為TiAl基合金的發(fā)展典范，是當前TiAl基合金研究的熱點之一。然而，高鈮TiAl合金鑄錠制備困難，且難加工成形，極大的限制了其廣泛應用。本文采用元素粉末冶金工藝制備了成分為Ti-45Al-10Nb(at.％)的高鈮TiAl合金，對機械球磨、真空熱壓燒結、等溫鍛造、熱處理

2、等工藝以及所得材料的顯微組織和力學性能進行了系統(tǒng)研究。
　　采用機械球磨法成功制備了細晶 Ti-45Al-10Nb復合粉末，揭示了球磨過程中粉末形貌、粒徑、元素分布隨球磨時間的演變規(guī)律，并對球磨10h粉末的晶體缺陷，不同球磨時間的復合粉末物相組成、晶粒尺寸、顯微硬度進行了分析，最后對復合粉末的熱穩(wěn)定性進行了研究。結果表明，隨著球磨時間的增加，Ti-45Al-10Nb復合粉末顆粒尺寸先增大后變小，并逐漸趨于等軸化，粒度及晶粒尺寸逐漸

3、細化，粒度分布范圍變窄，但整個球磨過程中未形成新相。球磨8h的復合粉末顯微硬度值最高，達到870HV。對10h球磨粉末熱分析表明：加熱過程中在低溫463~677℃及高溫1200～1350℃區(qū)間分別存在兩個放熱峰和吸熱峰，這分別與粉末在加熱過程 Al的融化及Ti-Al金屬間化合物的形成與相轉變有關。
　　對球磨10h的Ti-45Al-10Nb復合粉末采用真空熱壓燒結工藝進行固結致密，制備塊體合金，對不同燒結工藝下制備的合金組織及力學

4、性能進行了分析，同時研究了燒結態(tài)合金的熱變形行為。不同燒結工藝條件下制備的Ti-45Al-10Nb合金塊體均由γ-TiAl、α2-Ti3Al和Ti2AlC三相組成。隨著燒結時間的增加或保溫時間的延長，Nb元素逐漸固溶于TiAl基體組織中，且分布更均勻。Ti-45Al-10Nb合金基體組織的晶粒隨燒結溫度的升高逐漸長大，當燒結溫度達到1350℃時，產(chǎn)生粗大片層晶團。Ti2AlC陶瓷相有細化 Ti-45Al-10Nb合金組織、提高燒結合金強

5、度的作用。燒結態(tài) Ti-45Al-10Nb合金展現(xiàn)出高強度和低塑性，這與 Nb元素的固溶及Ti2AlC相的形成等組織特征有關。最后，建立了燒結態(tài) Ti-45Al-10Nb合金熱變形本構方程，為后續(xù)制定塑性加工工藝提供指導。
　　對燒結態(tài) Ti-45Al-10Nb合金進行等溫鍛造，成功制備了優(yōu)質的Ti-45Al-10Nb合金鍛坯。Ti-45Al-10Nb合金的鍛態(tài)組織由細小的動態(tài)再結晶晶粒及少量殘余片層組成，再結晶晶粒平均尺寸約為1

6、0μm。不同區(qū)域再結晶程度不同，鍛塊心部發(fā)生了完全再結晶，而沿著直徑方向，再結晶體積分數(shù)逐漸降低，剩余片層晶團含量逐漸增加，這與變形過程中鍛塊不同區(qū)域的變形量及所處應力狀態(tài)有關。采用中間停留保溫的兩步鍛造工藝有利于提高鍛態(tài)合金中再結晶組織的含量。相對于燒結態(tài)合金，鍛態(tài) Ti-45Al-10Nb合金顯示出了更優(yōu)異的力學性能，其室溫延伸率達到0.7%，強度為929MPa；900℃時，拉伸應變達到30.87%，是燒結態(tài)的2.5倍多。在1000

7、℃/1×10-5s-1條件下拉伸時，鍛態(tài) Ti-45Al-10Nb合金表現(xiàn)出了超塑性，工程應變達到173%，變形過程中孔洞的產(chǎn)生及橫向連接，導致了超塑性變形試樣的斷裂。
　　研究了鍛態(tài) Ti-45Al-10Nb合金的熱處理工藝，得出了不同組織的熱處理制度，并研究了組織與力學性能的關系。鍛態(tài) Ti-45Al-10Nb合金在α單相區(qū)熱處理時(高于1320℃)可以得到全片層組織，熱處理溫度對片層晶尺寸影響較大，而保溫時間影響較小；在α2

8、+γ兩相區(qū)熱處理時，很難得到雙態(tài)組織，雙態(tài)組織的獲得需經(jīng)過在α相區(qū)及α2+γ相區(qū)采用兩步熱處理的工藝實現(xiàn)。鍛態(tài)Ti-45Al-10Nb合金的組織穩(wěn)定性是由于Nb元素的固溶提高了γ相的高溫穩(wěn)定性。與鍛態(tài) Ti-45Al-10Nb合金相比，熱處理后具有全片層組織和雙態(tài)組織的Ti-45Al-10Nb合金強度優(yōu)于鍛態(tài)合金的，但三者塑性隨組織變化無明顯變化；具有等軸晶組織的Ti-45Al-10Nb合金表現(xiàn)出優(yōu)異的塑性，950℃下達到42.5%。片

9、層晶團的含量對 Ti-45Al-10Nb合金的斷裂韌性的影響最大，所有組織類型中，全片層組織斷裂韌值最高，為14.6MPa·m1/2。
　　研究了鍛態(tài) Ti-45Al-10Nb合金在850℃、900℃、950℃時的高溫氧化行為，氧化時間最長為192h，主要對合金氧化層表面形貌、相組成、氧化層剖面形貌及氧化動力學進行了研究。Ti-45Al-10Nb合金的高溫抗氧化能力與其氧化層中緊靠基體組織區(qū)域是否形成連續(xù)致密的Al2O3層有直接關