【摘要】：Ti2AlNb基合金作為一種新型輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料,具有比強(qiáng)度高、斷裂韌性高、高溫抗蠕變等多方面優(yōu)異的綜合性能,能在保證性能的前提下實(shí)現(xiàn)較大幅度的減重,在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。然而利用傳統(tǒng)的成形工藝制備該材料零部件面臨著流程多、成本高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)等一系列問題,制約了該材料的發(fā)展。本研究提出采用激光增材制造技術(shù)對(duì)Ti2AlNb基合金零部件進(jìn)行直接成形,充分利用增材制造流程少、生產(chǎn)周期短、成形柔性度高等技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),但是目前激光增材制造Ti2AlNb基合金依然面臨著晶粒尺寸粗大、相變規(guī)律復(fù)雜、沉積態(tài)零件性能差、成形過程中應(yīng)力高等亟待解決的問題。本文中以激光增材制造Ti-22Al-25Nb合金薄壁試樣為主要研究對(duì)象,從成形過程中的晶粒形貌和微觀組織的演化、成形過程中應(yīng)力場(chǎng)演變規(guī)律、成形后的熱處理調(diào)控等幾個(gè)方面對(duì)激光增材制造Ti-22Al-25Nb合金的基礎(chǔ)問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究,為該類材料在激光增材制造技術(shù)中的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。完成的工作及主要成果如下:激光增材制造Ti-22Al-25Nb合金薄壁試樣呈等軸晶形貌,通過N層(N=1,2,3,4)的單道成形實(shí)驗(yàn),并結(jié)合凝固理論,闡明了等軸晶晶粒的形成機(jī)理。進(jìn)一步研究表明,薄壁試樣沿沉積方向相組成發(fā)生由三相到單相的變化規(guī)律(B2+O+α2→B2),薄壁頂部為成形過程中快冷條件下保留的亞穩(wěn)B2相,底部三相組織是成形過程中經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間較低溫度自時(shí)效的結(jié)果。三相組織中晶界處為連續(xù)分布的α2相,晶內(nèi)為板條狀α2相和O相的混合組織。沉積態(tài)試樣的晶粒組織粗大,塑性較低;試樣底部由于有大量細(xì)小α2/O相析出,表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。利用有限元方法模擬分析了多層薄壁成形過程中的溫度場(chǎng),不同部位的沉積材料均經(jīng)歷了不同溫度范圍的連續(xù)熱循環(huán),解釋了沉積態(tài)薄壁試樣底部材料發(fā)生固態(tài)相變的原因。分別對(duì)沉積高度方向、薄壁厚度方向、掃描水平方向溫度場(chǎng)的變化規(guī)律進(jìn)行分析,對(duì)應(yīng)研究了薄壁試樣在三個(gè)方向的組織變化規(guī)律。結(jié)果表明,沉積態(tài)薄壁試樣幾乎只在沉積高度方向出現(xiàn)組織差異,其他方向沒有明顯的組織變化。詳細(xì)分析了激光增材制造Ti-22Al-25Nb合金組織,在不同相區(qū)內(nèi)熱處理時(shí)的相變規(guī)律。三相組織在α2+B2相區(qū)熱處理時(shí),O相完全溶解,α2相隨著熱處理溫度降低逐漸增多,晶界兩側(cè)存在寬約3 μm的無析出相區(qū);在α2+B2+0相區(qū)熱處理時(shí),晶界兩側(cè)O相保留,α2GB相比沉積態(tài)略微粗化;在B2+0相區(qū)熱處理后,晶界和晶內(nèi)α2相保持穩(wěn)定,α2相幾乎保留沉積態(tài)形貌,晶內(nèi)O相長(zhǎng)大明顯。B2單相組織在α2+B2相區(qū)熱處理時(shí),只有α2相析出,晶界兩側(cè)存在無析出相區(qū);在α2+B2+0相區(qū)熱處理時(shí),α2相和O相同時(shí)析出,α2GB相連續(xù)分布,晶界兩側(cè)開始有O相析出;在B2+0相區(qū)熱處理時(shí),只生成與B2相具有一定取向關(guān)系的板條狀O相,熱處理溫度越高,O相體積分?jǐn)?shù)越小,O相尺寸越大。在充分掌握相變規(guī)律的前提下,設(shè)計(jì)了預(yù)處理+固溶時(shí)效和直接固溶時(shí)效兩種熱處理思路,對(duì)比分析了不同熱處理制度對(duì)組織和性能的影響規(guī)律,薄壁試樣經(jīng)920℃/2 h/AC+800℃/24 h/AC熱處理后,性能提升明顯,水平方向底部和頂部室溫抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到了 999 MPa、953 MPa,斷后伸長(zhǎng)率分別為6.0%、5.3%,相對(duì)于沉積態(tài)試樣在保證足夠強(qiáng)度的同時(shí),塑性得到大幅度提升。薄壁試樣力學(xué)性能在不同方向沒有明顯的差異。研究表明,針對(duì)大晶粒尺寸的激光增材制造Ti-22Al-25Nb合金,沉積態(tài)組織中晶界連續(xù)α2相不是影響塑性的關(guān)鍵因素,塑性的提升應(yīng)該主要針對(duì)晶內(nèi)O相進(jìn)行調(diào)控,保留α2相反而對(duì)強(qiáng)度的提升有益。當(dāng)晶內(nèi)析出相尺寸較為均勻時(shí),綜合力學(xué)性能最好。采用間接耦合法,對(duì)激光增材制造成形和冷卻過程中的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。研究發(fā)現(xiàn)等效應(yīng)力較大的區(qū)域與溫度梯度較高的區(qū)域有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,出現(xiàn)在熔池附近。文中提出兩種應(yīng)力控制方案,即基板預(yù)熱和減緩散熱,分析結(jié)果表明基板預(yù)熱只對(duì)靠近基板的初始沉積過程有明顯的應(yīng)力釋放作用,而減緩散熱對(duì)成形和冷卻過程中的應(yīng)力控制均能起到明顯的效果。在薄壁試樣的研究基礎(chǔ)上,對(duì)激光增材制造Ti-22Al-25Nb合金塊狀試樣的組織和性能進(jìn)行了分析。塊狀試樣晶粒尺寸更粗大,呈現(xiàn)長(zhǎng)軸沿沉積高度方向的近等軸晶組織,熱處理后的性能表現(xiàn)出明顯的各向異性,沿沉積高度方向強(qiáng)度低、塑性極高,沿掃描水平方向強(qiáng)度高,塑性略低。
【學(xué)位授予單位】：北京有色金屬研究總院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V261.8
【圖文】：

相的新型高比強(qiáng)度高鈮含量鈦鋁金屬間化合物材料［３】，0相化學(xué)成分基于Ｔｉ２ＡｌＮｂ。逡逑由于長(zhǎng)程有序的超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)減弱了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和高溫?cái)U(kuò)散，該類合金無論是物理性能逡逑還是力學(xué)性能均具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。圖１．１給出了成分為Ｔｉ－２２Ａｌ－２５Ｎｂ邋（原子分?jǐn)?shù)，下逡逑同）的Ｔｉ２ＡｌＮｂ基合金與近ａ鈦合金、ｙ－ＴｉＡＩ合金、Ｔｉ３Ａｌ合金及ＩＮ７１８鎳基高溫合金逡逑的物理、力學(xué)性能對(duì)比［４】。從圖中可以看出，Ｔｉ２ＡｌＮｂ基合金具有較低的彈性模量和逡逑１逡逑

能更加優(yōu)異，因此目前各國(guó)的研宄重點(diǎn)均集中在第二代Ｏ相合金。逡逑１．２．３邐ＴｈＡｌＮｂ基合金相組成逡逑圖１．２為ＴｈＡｌＮｂ基合金中Ｂ２、（Ｘ２、０相晶體結(jié)構(gòu)立體圖［４］。表１．１給出了逡逑ＴｈＡｌＮｂ基合金中各組成相的晶體學(xué)參數(shù)（Ｏｌ為完全無序０相，０２為完全有序０逡逑相）［１９］。逡逑３逡逑

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本文編號(hào)：2713009