粉末冶金TiAl合金制备及高温变形行为研究

IMR OpenIR

	粉末冶金TiAl合金制备及高温变形行为研究
	王刚
学位类型	博士
导师	杨锐 ; 崔玉友
	2011
学位授予单位	中国科学院金属研究所
学位授予地点	北京
学位专业	材料学
关键词	Tial合金粉末冶金热等静压致密化高温变形行为动态再结晶
摘要	"TiAl合金作为一种轻质高温结构材料因其低密度及优异的高温性能，在航空、航天和汽车工业等领域具有广阔的应用前景。但是由于TiAl合金室温条件下少滑移系的有序L10 结构特点，以及常规的铸造冶金方法所带来的组织粗大、宏观偏析等缺陷，导致其室温塑性和热加工性差，限制了其在工程上的应用。预合金粉末冶金法，可以消除铸造冶金方法所带来的缺陷，提高TiAl合金的热加工性能。采用预合金粉末冶金法的近净成型技术，可以直接获得满足尺寸要求的坯料，从而提高材料的利用率。本文采用感应熔炼气体雾化法制备了TiAl预合金粉末，对TiAl预合金粉末进行表征。结果表明TiAl预合金粉末粒度主要分布在100～250μm，呈正态分布，平均粒度为120.7μm。粉末形貌基本呈球形。部分粉末伴有空心现象，随着粉末粒度的增加，空心粉末的比例增大。预合金粉末的相组成与粒度分布有关。TiAl预合金粉末在温度低于500°C时效2h后，粉末的相组成未发生明显变化，温度高于500°C发生α2→γ转变。XPS图谱表明预合金粉末颗粒表面形成Al2O3和TiO2薄膜。研究了热等静压工艺和后续热处理温度对预合金粉末致密化显微组织的影响。研究表明TiAl预合金粉末热等静压致密化处理后，所得显微组织为细小等轴的近γ组织，但是显微组织中存在局部粗化现象。在较低的温度热等静压致密化后，显微组织中观察到原始粉末边界现象。随着热等静压温度的升高，原始粉末边界逐渐消失，原始粉末边界还可以通过后续的热处理来消除。对合金在不同的时效温度处理，发现时效温度在高于某一临界值后，基体中的α2/γ片层数量迅速增加，其原因可能与合金中各相的吉布斯自由能高低有关。应用加工图理论研究了粉末冶金法制备的TiAl合金的高温变形行为和不同应变条件下的变形机制。在热压缩过程中，Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.2W-0.15B合金为正应变速率敏感材料。随应变速率的增大，流变应力增大。随变形温度的升高，流变应力降低。TiAl合金真应力—真应变曲线受加工硬化和动态软化的双重作用影响。流变应力峰值与温度和应变速率有关。应用Zener-Hollomon关系式以及双曲正弦函数关系式，计算合金的热变形激活能为315 kJ/mol，构建了合金的本构方程。根据动态材料模型建立了Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.2W-0.15B合金的加工图。通过对加工图进行分析可知，合金在950°C /10-3s-1条件下发生动态再结晶，在动态再结晶区域内，热变形后组织细小均匀。在温度为1300°C，应变速率为0.1s-1合金发生循环动态再结晶。该合金的功率耗散效率的峰值区为变形温度1250°C，应变速率0.001s-1，在此区间内合金发生超塑性变形。在低温高应变速率区，合金发生失稳现象，其失稳形式为表面裂纹、楔形开裂和微观裂纹。采用OM、SEM、TEM和EBSD等方法对高温塑性变形过程中合金组织演化进行了较为系统的研究。结果表明，随着应变速率的增大，Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.2W-0.15B合金晶粒逐渐细化。随着变形温度的升高，变形后显微组织晶粒度逐渐增大。TiAl合金变形显微组织与Zener-Hollomon参数有关。随着Z值的增加，动态再结晶晶粒尺寸逐渐减小。TiAl合金在变形初始阶段，其动态再结晶机制为不连续动态再结晶，随着变形量的增加，其动态再结晶机制转化为连续动态再结晶。在变形温度为950°C，应变速率为0.001s-1条件下，α2相（Ti3Al）发生球化转变。采用包套叠轧的方法和选取合适的轧制工艺参数，对TiAl合金进行轧制，同时研究轧制的TiAl合金板材的微观组织与拉伸性能。对具有不同显微组织的TiAl合金板材的拉伸实验表明，双态和全片层组织的TiAl合金板材在高于700°C时，其塑性大幅提高。双态组织的TiAl合金板材的断裂形式主要以韧性断裂为主，而全片层TiAl合金板材的断裂形式仍为脆性断裂。在高温拉伸过程中，应力的软化主要是由于动态再结晶的发生。"
其他摘要	Because of the low density, high strength, good creep properties at elevated temperatures, TiAl alloys are considered for high temperature applications in automotive and aerospace industries. However, a major issue to the industrial applications is the alloy's poor ductility at room temperature. The deficiency on one hand is due to the intrinsic brittleness of the alloys, and on the other hand is due to the microstructure that evolves during the fabrication processes The ductility at room temperature is very sensitive to the microstructure, thus lots of efforts have been made to improve the microstructure of TiAl alloys by hot working processing. Nevertheless, duo to the defects such as coarse-grained lamellar and chemical inhomogeneity that formed during the ingot metallurgy fabrication, the ingot breakdown and subsequent thermomechanical processing are very difficult to carry on. Thus, the achievements are still difficult to introduce to the industrial applications.
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/64299
专题	中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	王刚. 粉末冶金TiAl合金制备及高温变形行为研究[D]. 北京. 中国科学院金属研究所,2011.