細晶TiAl基合金制備及組織和性能研究.pdf

1、γ-TiAl合金以其密度低、比強度和比模量高，具有較好的抗氧化和蠕變性能以及優(yōu)異的疲勞性能等優(yōu)點，在航空發(fā)動機、火箭發(fā)動機、燃氣輪機及汽車行業(yè)等領域具有廣闊的應用前景。近年來，γ-TiAl合金作為下一代新型輕質高溫結構材料引起了國內外學者廣泛研究。本文采用粉末冶金新工藝(高能球磨法+等離子燒結(熱等靜壓))制備細晶TiAl基合金。系統(tǒng)地研究了獲取高質量球磨粉末的工藝過程、粉末體燒結工藝、致密化過程以及燒結體顯微組織與力學性能。
　

2、　研究了球磨溫度及成份對Ti-Al系球磨過程、相演變規(guī)律影響。Ti-47Al與Ti-45Al-2Cr-2Nb-1B-0.5Ta(at.％)成份的粉末在低溫條件下(-140～-5℃)的球磨結果表明，降低球磨溫度能夠有效的減小粉末顆粒尺寸。成份為Ti-47Al粉末低溫球磨后，未實現(xiàn)合金化。成份為Ti-45Al-2Cr-2Nb-1B-0.5Ta粉末低溫球磨結果表明，少量的Cr、Nb、Ta、B等合金粉末的加入，起到減弱冷焊的作用，可以制備出硬質

3、相彌散分布、精細、均勻Ti/Al復合結構的納米晶粉末；
　　在室溫條件下采用雙步球磨法(一步球磨+熱處理+二步球磨)制備了納米晶Ti-Al系粉末，并對球磨工藝、粉末顯微結構、相組成、粉末顆粒在加熱過程中的反應行為等進行研究，雙步球磨法(一步球磨+熱處理+二步球磨)實現(xiàn)了多體系球磨，一步球磨實現(xiàn)粉末部分固溶，縮短Ti/Al原子間距，增大粉末晶格畸變，熱處理過程形成了部分TiAl、Al3Ti、Ti3Al相，二步球磨加劇粉末合金化過程及

4、粉末尺寸的細化。通過雙步球磨法獲取Ti-47Al、Ti-45Al-2Cr-2Nb-1B-0.5Ta(at.%)成份的以TiAl相、Ti3Al相為主相的復合粉末，其晶粒尺寸達到納米級，為6-14nm。
　　采用低溫高能球磨法及熱等靜壓工藝制備了細晶的Ti-45Al-2Cr-2Nb-1B(at.%)合金，燒結溫度800℃和1000℃所對應晶粒尺寸分別為50-200nm和100-400nm，相組成為γ-TiAl和少量Ti3Al。研究了燒

5、結溫度對合金顯微組織的影響，隨著熱等靜壓燒結溫度提高，晶粒尺寸表現(xiàn)為一定的粗化，仍表現(xiàn)為細晶組織。通過對燒結體高溫拉伸性能進行測試，實驗表明，該材料在850℃時延伸率為63-101%，強度為80-100MPa。
　　采用放電等離子燒結(SPS)燒結工藝制備了細晶的TiAl塊體材料。研究了燒結溫度、合金元素對合金顯微組織、晶粒尺寸的影響。單步球磨法和雙步球磨法制的Ti-47Al(at.%)粉末在900℃和1000℃溫度下燒結時，塊體

6、材料的組織為等軸晶的γ-TiAl和少量Ti3Al、Ti2Al相，晶粒尺寸為亞微米級；當燒結溫度為1100℃時，塊體材料由γ-TiAl和少量Ti3Al、Ti2Al相，晶粒尺寸為亞微米級的等軸晶組織和少量TiAl、Ti3Al層片晶團組成。合金元素添加對TiAl合金組織具有顯著影響，Cr、B等元素的添加，抑制晶粒長大；雙步球磨法下Ti-45Al-2Cr-2Nb-1B-0.5Ta粉末，在900℃、1000℃、1100℃溫度下燒結時，塊體材料的組

7、織均為γ-TiAl和少量Ti3Al、Ti2Al相，晶粒尺寸為亞微米級的等軸晶及針狀TiB2組織；隨著燒結溫度的提高，TiAl塊體材料的致密化程度提高，而燒結組織晶粒尺寸變化不大。
　　對等離子燒結材料進行力學性能測試，實驗結果表明，等離子燒結獲取材料的性能和燒結溫度密切相關。單步球磨法獲取Ti-47Al粉末，在溫度為900℃、保溫5min壓力為50MPa條件下，燒結塊體壓縮斷裂強度為1963MPa，壓縮率為4.0％，壓縮屈服強度1

8、722MPa，抗彎強度610MPa，其硬度為686Hv；雙步球磨法結合等離子燒結的塊體材料的抗壓強度比一步球磨法結合等離子燒結的塊體材料的抗壓強度高100-200MPa，壓縮率降低0.3-0.7%，抗彎強度提高100-370MPa。
　　合金元素對等離子燒結燒結TiAl基合金性能具有重要影響，雙步球磨法下獲取Ti-45Al-2Cr-2Nb-1B合金與Ti-47Al合金相比較，Cr、B等元素的添加，明顯提高塊體材料壓縮塑性，在900