高Nb-TiAl合金高溫變形及組織性能研究.pdf

1、高Nb-TiAl合金是發(fā)展高溫高強(qiáng)TiAl合金的典范,具有高比強(qiáng)度和比模量,良好的高溫抗氧化性以及蠕變抗力等優(yōu)點(diǎn),使其在航空航天工業(yè)以及汽車工業(yè)中極具應(yīng)用前景。高Nb-TiAl合金鑄錠制備困難,變形抗力大,限制了其加工和應(yīng)用。β相凝固被證明可以有效的細(xì)化合金的鑄造組織,減小元素偏析。本文通過(guò)ISM技術(shù)、VAR技術(shù)分別制備出了成分為Ti-45Al-9Nb-Y和Ti-44Al-8Nb-0.2W-0.2B-Y的β相凝固高Nb-TiAl合金,并

2、對(duì)鑄錠制備、熱加工技術(shù)、熱處理工藝,以及組織和性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　采用ISM技術(shù),VAR三次重熔技術(shù)分別成功制備了Ti-45Al-9Nb-Y合金以及Ti-44Al-8Nb-0.2W-0.2B-Y合金。Ti-45Al-9Nb-Y合金是典型的近層片組織,相鄰片層晶團(tuán)具有相同的片層取向。γ相遵循βγ(110)//(111)位向關(guān)系從晶界上殘余的β相內(nèi)不連續(xù)析出,形成混合組織。ISM熔煉可以有效的減少元素偏析,提高組織均勻性。熱等

3、靜壓后大尺寸Ti-44Al-8Nb-0.2W-0.2B-Y合金鑄錠元素分布基本均勻。添加的B元素形成的TiB作為異質(zhì)形核劑提高α相的形核率,導(dǎo)致大量非Burgers位向關(guān)系的α相出現(xiàn),細(xì)化了片層組織。鑄錠頂部具有最好的性能,室溫強(qiáng)度約為680MPa。
　　對(duì)Ti-45Al-9Nb-Y合金進(jìn)行了高溫壓縮試驗(yàn)以及包套鍛造。高溫?zé)釅嚎s過(guò)程中,θ=0°的中等強(qiáng)度取向片層晶團(tuán)發(fā)生θ=90°的片層彎曲,并在晶界和片層彎曲處發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。0°

4、<θ<90°的軟取向片層晶團(tuán)向θ=90°的取向整體轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)發(fā)生大量的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。θ=90°的硬取向片層拉長(zhǎng),晶界上發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。確定最佳變形工藝為:1250℃/0.05s-1。鍛態(tài)組織是雙態(tài)組織,殘余片層晶團(tuán)內(nèi)α2相板條粗化,并形成垂直于板條取向的花呢狀花紋。在1330℃/30min/FC的熱處理中,鍛態(tài)組織中等軸γ相內(nèi)獲得魏氏組織(Widmannst?tten),魏氏組織的出現(xiàn)有利于片層的形成。對(duì)鍛造組織進(jìn)行了雙態(tài)以及全層片組織熱處

5、理。全層片組織強(qiáng)度最高,鍛態(tài)組織延伸率最高。
　　在1275℃對(duì)Ti-44Al-8Nb-0.2W-0.2B-Y合金進(jìn)行包套鍛造,制備出了變形量分別為50％和70%的鍛餅,并對(duì)70%變形量的鍛餅進(jìn)行了爐冷和空冷處理。變形量越大,室溫強(qiáng)度和塑性越高,70%變形量合金的室溫強(qiáng)度達(dá)到930MPa。空冷組織殘余應(yīng)力大,加工硬化明顯,鍛餅發(fā)生開(kāi)裂。在70%變形量合金900℃以上高溫拉伸組織中,形成白亮的ω相,并且溫度越高,應(yīng)變速率越低,ω相越

6、多。拉伸過(guò)程中,ω相的形成可以通過(guò)α2?ω+γ固態(tài)相變形成。此外,對(duì)鍛態(tài)Ti-44Al-8Nb-0.2W-0.2B-Y合金在1310℃/20min+1240℃/1h進(jìn)行了雙步熱處理,并獲得了球狀γ等軸晶粒與細(xì)小片層的雙態(tài)組織。1340℃/10min可以獲得全層片組織。對(duì)雙態(tài)組織和全片層組織進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試。
　　詳細(xì)分析了α板條和γ板條在熱加工及冷卻過(guò)程中的組織演化機(jī)制。變形過(guò)程中,殘余片層內(nèi)有序γ相首先以亞晶界的轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生動(dòng)態(tài)再

7、結(jié)晶,而高層錯(cuò)能的無(wú)序α相板條僅發(fā)生塑性彎曲形成亞結(jié)構(gòu)。DγDγ再結(jié)晶晶粒通過(guò)晶界的膨脹在冷卻過(guò)程中向α2相板條的生長(zhǎng)。隨著變形量的增加,α相發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,對(duì)α2相的吞食作用增加。對(duì)α2相的吞食作用與冷卻速度有關(guān),冷卻速度越快,吞食作用越弱,殘余α2相含量。DγDγ
　　包套軋制后Ti-45Al-9Nb-Y合金的組織發(fā)生明顯變化。軋制組織在RD、ND以及TD三個(gè)方向均為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶等軸晶粒,是典型的近γ組織。隨著軋制變形量的增加,