譯文--材料成型及控制工程外文文獻(xiàn)翻譯

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　外文文獻(xiàn)及譯文</b></p><p>　　文獻(xiàn)、資料題目：The effects of heat treatment on</p><p>　　the microstructure and mechani-</p><p&

2、gt;　　cal property of laser melting dep-</p><p>　　ositionγ-TiAl intermetallic alloys</p><p>　　文獻(xiàn)、資料來(lái)源：Materials and Design</p><p>　　文獻(xiàn)、資料發(fā)表（出版）日期：2009.10.25</p><p>　　院 （

3、部）： 材料科學(xué)與工程學(xué)院</p><p>　　專 業(yè)： 材料成型及控制工程</p><p><b>　　班 級(jí)：</b></p><p><b>　　姓 名： </b></p><p><b>　　學(xué) 號(hào)：</b></p><p&g

4、t;<b>　　指導(dǎo)教師： </b></p><p>　　翻譯日期： 2011.4.3</p><p><b>　　中文譯文：</b></p><p>　　熱處理對(duì)激光沉積γ-TiAl金屬間化合物合金的組織與性能的影響</p><p><b>　　摘要：</b></p&g

5、t;<p>　　Ti-47Al-2.5V-1Cr 和Ti-40Al-2Cr (at.%)金屬間化合物合金通過(guò)激光沉積（LMD）成形技術(shù)制造。顯微組織的特征通過(guò)光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、投射電子顯微鏡（TEM）、和X射線衍射儀（XRD）檢測(cè)。沿軸向評(píng)估熱處理后的沉積試樣室溫下的抗拉性能和維氏硬度。結(jié)果表明：由γ-TiAl 和 α2-Ti3Al構(gòu)成的γ-TiAl基體試樣具有全密度柱狀晶粒和細(xì)的層狀顯微

6、組織。Ti-47Al-2.5V-1Cr基體合金和Ti-40Al-2Cr基體合金沿軸向的室溫抗拉強(qiáng)度大約分別為650 MPa、600MPa，而最大延伸率大約為0.6% 。熱處理后的Ti-47Al-2.5V-1Cr和Ti-40Al-2Cr合金可以得到不同的顯微組織。應(yīng)力應(yīng)變曲線和次表面的拉伸斷裂表明沉積和熱處理后的試樣的斷裂方式是沿晶斷裂。</p><p><b>　　1.簡(jiǎn)介</b></

7、p><p>　　金屬間化合物γ-TiAl合金由于其高熔點(diǎn)（﹥1450℃）、低密度（3g/cm3）、高彈性模量（160-180GPa）和高蠕變強(qiáng)度（直到900℃）成為很有前景的高溫結(jié)構(gòu)材料，一直受到廣泛研究[1–4]。但是對(duì)于其結(jié)構(gòu)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這種材料主要缺點(diǎn)之一是在室溫下缺少延展性。此外，這種合金運(yùn)用傳統(tǒng)的制造工藝諸如鍛壓、軋制和焊接，加工起來(lái)比較困難[5]。</p><p>　　對(duì)于TiAl組

8、份，傳統(tǒng)的鑄造技術(shù)不利條件是粗大的鑄態(tài)組織導(dǎo)致室溫下的機(jī)械性能變差。另一方面，在傳統(tǒng)的緩慢冷卻固結(jié)過(guò)程中諸如氣孔和縮孔等金相缺陷是不可避免的。產(chǎn)品的形狀和尺寸受熱應(yīng)力誘發(fā)結(jié)晶的制約，鑄件的地延展性導(dǎo)致裂紋缺陷。雖然適當(dāng)?shù)慕M件可以通過(guò)傳統(tǒng)的鑄造工藝制造，但是這種方法相當(dāng)昂貴、耗時(shí)。一些其他制造和加工方式如放電等離子燒結(jié)（SPS）[6,7]、混合粉末半固態(tài)成型[8]、烘托冶金反應(yīng)[9]和激光工程粉末冶金零件近凈成形(LENS) [10]一直

9、受到廣泛研究，以便制造出高質(zhì)量的TiAl合金部件。然而，在此類金屬的粉末冶金過(guò)程中不可避免的氮化和氧化的增強(qiáng)，進(jìn)一步惡化了TiAl合金的延展性。</p><p>　　激光沉積（LMD）是一種利用電腦輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型分層快速凝固材料添加劑為增效組分的制造技術(shù)。在LMD過(guò)程中，大功率激光束的運(yùn)動(dòng)有計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）系統(tǒng)控制，而該系統(tǒng)由CAD模型發(fā)展而來(lái)。金屬粉末注入激光聚焦帶，然后從粉末輸出噴嘴連續(xù)熔化。由于

10、該方法冷卻凝固速度高，連續(xù)層可堆積成全密度和極細(xì)小的快速凝固微觀組織的近凈成形零件。利用CAD文檔的LMD添加劑分層制造的方式，可以得到任意復(fù)雜形狀和尺寸的近凈成形零件。</p><p>　　在目前的研究中，激光沉積制造工藝成功制造出Ti–47Al–2.5V–1Cr和 Ti–40Al–2Cr(at.%)金屬間化合物合金零件。研究沉積試樣熱處理后的微觀組織，并評(píng)估軸向維氏硬度和室溫抗拉性能，表征拉伸斷面和次表面的組

11、織。</p><p><b>　　2.實(shí)驗(yàn)步驟</b></p><p>　　GS-TFL-8000 CO2激光器（最大輸出功率8000W）和BSF-2粉末輸出裝置熔化和傳送Ti–47Al–2.5V–1Cr 和 Ti–40Al–2Cr合金粉末，HNC-21M CNC數(shù)控裝置控制工作臺(tái)和激光束的運(yùn)動(dòng)。激光束和粉末噴嘴作為一個(gè)整體單元移動(dòng)，以便合金粉末注入激光熔池。激光熔化

12、沉積過(guò)程在一個(gè)特別設(shè)計(jì)的氬氣清洗室中進(jìn)行，恒壓下，在氬氣氣氛中防止熔池氧化，清洗室中的氧含量小于萬(wàn)分之一。LMD加工過(guò)程中的參數(shù)：激光功率1500W，光束直徑5mm，光束掃描速度5mm/s，單層沉積物厚度0.2-0.3mm，送粉速度4-5.5g/min。</p><p>　　在此研究中，Ti–47Al–2.5V–Cr和 Ti–40Al–2Cr合金粉末含氧量小于0.1(wt.%)，有真空熔化氬氣等離子體霧化過(guò)程密封

13、制造。Ti–6Al–2Zr–Mo–1V and Ti–47Al–2.5V–Cr鑄態(tài)合金錠機(jī)械加工成直徑10mm左右的細(xì)纜，然后通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的噴嘴在等離子熔化爐中熔化。最后，噴嘴里的鑄態(tài)合金在高速高純度氬氣流作用下形成球狀粉，合金的粒度范圍在70-75μm之間。另一方面，鑄態(tài)Ti–6Al–2Zr–Mo–1V鑄錠熱滾到厚度為8–10 mm的薄墻型標(biāo)本上作為基體材料（表1）。Ti–6Al–2Zr–1Mo–1V基體表面在激光熔化沉積之前預(yù)拋光，

14、沉積試樣密封在石英管中，然后在高溫烘爐中熱處理。</p><p>　　通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械拋光法準(zhǔn)備的金相試樣用300 ml H2O、100 ml HNO3 和 100 ml HF混合溶液腐蝕。OLYMPUS BX51M光學(xué)顯微鏡、JEM-2100透射電鏡和配備Lea-gue-2000 EDX 系統(tǒng)的KYKY-2800掃描電子顯微鏡表征微觀組織、識(shí)別化學(xué)成分。使用HXZ- 1000半自動(dòng)硬度測(cè)試計(jì)測(cè)量梯度區(qū)的硬度，試驗(yàn)荷

15、載200g，停留時(shí)間15s。拉伸試樣（厚度1-1.5mm）在MTS880測(cè)試系統(tǒng)上沿軸向測(cè)量試樣的室溫抗拉性能（圖1）。</p><p><b>　　3.結(jié)果與討論 </b></p><p>　　3.1. 顯微結(jié)構(gòu)的分析</p><p>　　Ti–47Al–2.5V–1Cr 和Ti–40Al–2Cr合金薄板的幾何尺寸都是40 mm×4

16、0 mm×6mm(圖. 2a)。不同粒度組成的γ-TiAl和α2-Ti3Al相的沉積試樣具有片狀顯微組織（FL） (圖-2b和c)，TiAl沉積試樣中觀察到細(xì)層的微觀結(jié)構(gòu)，可能是由于加工制造過(guò)程較高的凝固速率。γ-TiAl和α2-Ti3Al（圖-3.b和c）有層狀顯微結(jié)構(gòu)組成是固態(tài)相變的結(jié)果。含有46–49% (at.%)鋁的TiAl合金在1125 ℃經(jīng)歷固態(tài)相變[12] ：α→γ+α2 。細(xì)化晶粒的尺寸是50–100 um

17、 ，超細(xì)層間距大約是0.2um。在激光熔化沉積過(guò)程中，沉積熔池下面的先前沉積層被掃描激光束連續(xù)不斷的在加熱至高溫(>1500 ℃) [13] 。熔池附近的熱影響區(qū)必然發(fā)生前面提到的固態(tài)相變，最終導(dǎo)致片狀顯微組織的形成。該研究中，TiAl沉積試樣中γ-TiAl (fcc) 和α2-Ti3Al (hcp) 有一個(gè)方向關(guān)系(0 0 0 1) α2//(1 1 1) γ（圖-3.e和f）。</p><p>　　圖4

18、顯示了Ti–47Al–2.5V–1Cr 和 Ti–40Al–2Cr沉積合金試樣X(jué)射線衍射模型。沉積的Ti–47Al–2.5V–1Cr合金試樣中可以清楚的觀察Ti3Al-(2 0 0) 和Ti3Al-(2 0 1)峰值，但是，Ti–40Al–2Cr沉積合金試樣的X射線衍射模型中卻不顯著。</p><p>　　不同加工方法得到的Ti–47Al–2.5V–1Cr 和Ti–40Al–2Cr合金試樣熱處理后的微觀結(jié)構(gòu)不同（

19、圖5和圖7）。同時(shí)，熱處理后的TiAl合金試樣中γ-TiAl和α2-Ti3Al片晶厚度見(jiàn)圖6。EDS能譜儀分析結(jié)果顯示試樣的不同晶粒區(qū)（表2）的化學(xué)成分和腐蝕形態(tài)不同。這表明，經(jīng)過(guò)1100℃和1125℃分別30分鐘的熱處理之后不能去掉材料的同質(zhì)異性，而這可能是由于擴(kuò)散速率低和熱處理時(shí)間相對(duì)較短[14,15]。</p><p><b>　　3.2. 顯微硬度</b></p>&l

20、t;p>　　圖8顯示了熱處理合金Ti–47Al–2.5V–1Cr 和Ti–40Al–2Cr沉積試樣平均維氏硬度的變化。沉積Ti–47Al–2.5V–1Cr合金試樣經(jīng)1125℃退火30小時(shí)后水淬火，其維氏硬度從425HV上升到455HV。另一方面沉積Ti–40Al–2Cr合金試樣經(jīng)1100℃退火30小時(shí)后空冷，其維氏硬度從400HV上升到450HV。這種變化可能是受長(zhǎng)時(shí)間高溫退火后不同肌理的細(xì)晶粒的形成引起微觀組織變化的影響。<

21、;/p><p>　　3.3. 室溫抗拉性能</p><p>　　表3顯示了沉積后熱處理試樣室溫抗拉性能測(cè)試結(jié)果。十分明顯，沉積試樣Ti–47Al–2.5V–1Cr 和 Ti–40Al–2Cr合金的極限抗拉強(qiáng)度（UTS）值與熱加工試樣相比低很多，這表明Ti–47Al–2.5V–1Cr和Ti–40Al–2Cr合金的室溫抗拉性能受其微觀結(jié)構(gòu)的晶粒大小和層間隙的影響。圖9所示的是熱處理后Ti–47Al

22、–2.5V–1Cr 和 Ti–40Al–2C合金試樣的室溫拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線，結(jié)果表明這種合金的延展性非常低。</p><p>　　熱處理后的Ti–47Al–2.5V–1Cr 和Ti–40Al–2Cr合金試樣的RT斷裂表面和此表面沿縱向方向檢測(cè)。沉積后熱處理的Ti–47Al–2.5V–1Cr 和 Ti–40Al–2Cr合金試樣的斷裂表面是平直且簡(jiǎn)單的。特別需要指出的是，韌性坑充分體現(xiàn)了層狀顯微結(jié)構(gòu)的組織特征，這表

23、明顯微鏡下可見(jiàn)的初始裂紋產(chǎn)生于單一晶粒，沿層界面生長(zhǎng)，有時(shí)沿晶界處生長(zhǎng)。</p><p>　　在本文中，激光沉積Ti–47Al–2.5V–1Cr 和 Ti–40Al–2Cr合金成分沿縱向方向，有杰出的室溫力學(xué)性能。沉積TiAl合金試樣中觀察到的細(xì)的層狀顯微結(jié)構(gòu)可能是在LMD快速制造工藝中，由于凝固速率高產(chǎn)生的。與LMD加工工藝相</p><p>　　比，那些傳統(tǒng)的鑄造加工工藝，TiAl合金

24、的凝固速率相對(duì)較低。相應(yīng)的，那些緩慢冷卻的加工工藝形成粗糙的等軸FL或者是復(fù)式（DP）顯微組織。在這項(xiàng)研究中，在50-100um范圍的的顯微結(jié)構(gòu)沿縱向方向的室溫拉伸強(qiáng)度能夠達(dá)到550-650MPa。550-650MPa。然而，圖6 b和c以及圖7顯示組織的層間隙幾乎是在同一水平上，這說(shuō)明相應(yīng)的熱處理時(shí)間不夠長(zhǎng)，還不足以使片層微觀結(jié)構(gòu)存</p><p>　　在明顯的差異。與沉積合金試樣相比較，熱處理合金試樣的極限抗

25、拉強(qiáng)度的變化可以忽略不計(jì)。另一方面，與熱處理試樣0.6%的延展率相比，沉積Ti–47Al–2.5V–1Cr 和 Ti–40Al–2Cr合金試樣0.3%的延展率相對(duì)較低。圖4是沉積后熱處理的LMD試樣與傳統(tǒng)加工TiAl合金材料的室溫抗拉特性的比較。許多研究表明，TiAl合金的室溫下的屈服強(qiáng)度和抗拉延性以及微觀結(jié)構(gòu)主要受晶粒大小和內(nèi)部層間隙的影響[18–20]。通過(guò)各種固態(tài)熱加工方法控制微觀組織和細(xì)化晶?？梢愿纳萍す馊鄹渤练eTi–47Al–

26、2.5V–1Cr 和 Ti–40Al–2Cr合金的機(jī)械性能，這是因?yàn)闄C(jī)械性能對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的敏感依賴性。</p><p><b>　　4. 結(jié)論</b></p><p>　　Ti–47Al–2.5V–1Cr 和 Ti–40Al–2Cr (at.%) 金屬間化合物合金通過(guò)激光沉積（LMD）制造工藝制造。由γ- TiAl和α2-Ti3Al構(gòu)成的完全片狀顯微結(jié)構(gòu)（FL）激光沉積

27、形成γ-TiAl 樣品。Ti–40Al–2Cr合金1100℃退火30分鐘伴隨無(wú)功電量可以獲得晶粒度大小約為20um的均勻的微觀組織 。Ti–47Al–2.5V–1Cr經(jīng)過(guò)1125 ℃/30 min退火處理伴隨無(wú)功電量，可獲得晶粒大小約為100um微觀組織。Ti–47Al–2.5V–1Cr合金伴隨無(wú)功電量經(jīng)1125 ℃/30min退火處理后沿縱向方向，其室溫抗拉強(qiáng)度高達(dá)650 MPa。Ti–40Al–2Cr合金經(jīng)1100 ℃/30min退

28、火處理之后空冷，其室溫抗拉強(qiáng)度沿縱向方向高達(dá)630 MPa。這種合金的延伸率至多為0.6%，這表明其延展性非常低。</p><p><b>　　鳴謝</b></p><p>　　本研究由國(guó)家基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2006CB605206-2)和中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)(批準(zhǔn)號(hào)No. 50625413)以及中國(guó)教育部長(zhǎng)江學(xué)者創(chuàng)新研究小組資助研究。</p><

29、;p><b>　　參考文：</b></p><p>　　[1] Liu CT, Schneibel JH, Maziasz PJ, Wright JL, Easton DS. Tensile properties and fracture toughness of TiAl alloys with controlled microstructures. Intermetallics

30、1996;4:429–40.</p><p>　　[2] Liu CT, Maziasz PJ. Microstructural control and mechanical properties of dual-phase TiAl alloys. Intermetallics 1998;6:653–61.</p><p>　　[3] Kim YW, Karthikeyan S, Vis

31、wanathan GB, Gouma PI, Vasudevan VK, Mills MJ. Mechanisms and effect of microstructure on creep of TiAl-based alloys. Mater</p><p>　　Sci Eng A 2002;329:621–30.</p><p>　　[4] Novoselova T, Malinov

32、 S, Sha W. Experimental study of the effects of heat treatment on microstructure and grain size of a gamma TiAl alloy. Intermetallics 2003;11:491–9.</p><p>　　[5] Yamaguchi M, Kishida K, Inui H, Yao KF. Plast

33、ic deformation of V- and Zr-alloyed PST TiAl in tension and compression at room temperature. Acta Metall Mater 1995;43:1075–86.</p><p>　　[6] Sun ZM, Hashimoto H. Fabrication of TiAl alloys by MA-PDS process

34、and the mechanical properties. Intermetallics 2003;11:825–34.</p><p>　　[7] Sun ZM, Hashimoto H, Wang Q, Tada S, Toshihiko A. Synthesis and consolidation of TiAl by MA-PDS process from sponge-Ti and chip-Al.

35、Intermetallics 2003;11:63–9.</p><p>　　[8] Wen CE, Yasue K, Yamada Y. Fabrication of TiAl by blended elemental powder semisolid forming. J Mater Sci 2001;36:1741–5.</p><p>　　[9] Jakob A, Speidel

36、MO. Microstructure and tensile properties of TiAl compounds formed by reactive foil metallurgy. Mater Sci Eng A 1994;189:129–36.</p><p>　　[10] Zhang XD, Brice C, Mahaffey DW, Zhang H, Schwendner K, Evans DJ,

37、 et al. Direct laser deposition of alloys from elemental powder blends. Scripta Mater 2001;44:2419–24.</p><p>　　[11] Wang HM, Zhang LY, Li A, Cai LX, Tang HB. Rapid solidi?cation laser processing and forming

38、 of advanced aeronautical metallic materials. J Beijing Univ Aeronaut Astronaut 2004;30:962–7.</p><p>　　[12] McCullough C, Valencia JJ, Levi CG, Mehrabian R. Solidi?cation microstructure of supercooled Ti–Al

39、 alloys containing intermetallic phases. Acta Metall Mater 1989;37:1321–36.</p><p>　　[13] Grif?th ML, Schlienger ME, Harwell LD, Oliver MS, Baldwin MD, Ensz MT, et al. Understanding thermal behavior in the L

40、ENS process. Mater Des 1999;20:107–13.</p><p>　　[14] Wang JN, Xie K. Re?ning of coarse lamellar microstructure of TiAl alloys by rapid heat treatment. Intermetallics 2000;5:545–8.</p><p>　　[15]

41、Cao GX, Fu LF, Lin JG, Zhang YG, Chen CQ. The relationships of microstructure and properties of a fully lamellar TiAl alloy. Intermetallics 2000;5:647–53.</p><p>　　[16] Koeppe C, Bartels A, Clemens H, Schret

42、ter P, Glatz W. Optimizing the properties of TiAl sheet material for application in heat protection shields or propulsion systems. Mater Sci Eng A 1995;201:182–93.</p><p>　　[17] Gerling R, Bartels A, Clemens

43、 H, Kestler H, Schimansky FP. Structural characterization and tensile properties of a high niobium containing gamma TiAl sheet obtained by powder metallurgical processing. Intermetallics 2004;12:275–80.</p><p&

44、gt;　　[18] Kumpfert J, Kim YW, Dimiduk DM. Effect of microstructure on fatigue and tensile properties of the gamma TiAl alloy Ti–46.5Al–3.ONb–2.1Cr–0.2W. Mater Sci Eng A 1995;192:465–73.</p><p>　　[19] Gerling

45、 R, Schimansky FP, Stark A, Bartels A, Kestler H, Cha L, et al. Microstructure and mechanical properties of Ti–45Al–5Nb + (0–0.5C) sheets. Intermetallics 2008;16:689–97.</p><p>　　[20] Liu CT, Wright JL, Deev