發(fā)布時間：2020-08-09 16:00

【摘要】：航空發(fā)動機(jī)的輕量化一直是各國研究的重點(diǎn)。TiAl基合金具有密度低、強(qiáng)度高、抗氧化性好、抗高溫蠕變性能好等特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注,是發(fā)動機(jī)葉片潛在的應(yīng)用材料。發(fā)動機(jī)工作時,葉片受到高循環(huán)周次變動載荷的作用。因此,為了提高渦輪葉片的可靠性、推進(jìn)TiAl合金葉片的工程化應(yīng)用,對TiAl合金疲勞性能的研究具有重要意義。本文利用冷坩堝定向凝固爐制備Ti-46Al、Ti-44Al-5Nb-3Cr-1.5Zr、Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.2Er(at.%)、高Nb-TiAl鈦鋁合金鑄錠,對其表面質(zhì)量、宏觀組織、顯微組織進(jìn)行分析。測試原始鑄態(tài)和定向凝固組織彎曲疲勞性能,以Ti-46Al合金為基礎(chǔ),分析疲勞性能和組織的關(guān)系。選出彎曲疲勞性能較優(yōu)的合金,測試?yán)炱�、帶缺口試樣的彎曲疲勞性能。�?shí)驗結(jié)果表明:Ti-46Al、Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.2Er、高Nb-TiAl合金的柱狀晶平行度、連續(xù)性好,定向效果較優(yōu)。Ti-46Al、高Nb-TiAl合金具有典型的全片層組織。Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.2Er合金組織由γ/α_2片層團(tuán)和Er_2O_3相組成。Ti-44Al-5Nb-3Cr-1.5Zr合金定向組織由γ/α_2片層團(tuán)和大量B2相、γ單相組成,宏觀組織呈等軸狀,定向效果不佳。根據(jù)三點(diǎn)彎曲疲勞試驗得出,冷坩堝定向凝固Ti-46Al、Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.2Er、高Nb-TiAl合金的彎曲疲勞極限分別為390MPa、414MPa、470MPa,高Nb-TiAl具有最優(yōu)的抗彎曲疲勞性。冷坩堝定向凝固提高母合金鑄錠的抗彎強(qiáng)度、撓度和疲勞極限。Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.2Er合金中的Cr、Nb元素固溶強(qiáng)化了合金的基體,提高合金的力學(xué)性能。Er元素的添加細(xì)化片層間距,在一定程度上提高了合金的力學(xué)性能,但是Er_2O_3相與基體的界面結(jié)合較弱,并且該相一般為松散的團(tuán)簇狀,往往誘發(fā)疲勞裂紋的萌生,并且在疲勞裂紋擴(kuò)展路徑上作為薄弱點(diǎn)被穿過。高Nb-TiAl合金中的Nb元素固溶強(qiáng)化效果顯著,疲勞斷裂以穿片層斷裂為主導(dǎo),沿片層斷裂數(shù)量較少。“U”形缺口的彎曲疲勞極限約為光滑試樣值的0.45倍,疲勞應(yīng)力集中系數(shù)K_f=2.22。高Nb-TiAl合金的拉伸疲勞極限為215MPa,試樣常應(yīng)力集中較大的寬厚相交直角處或過渡圓角處斷裂,疲勞裂紋在片層團(tuán)界面或者沿片層處萌生,裂紋擴(kuò)展至臨界尺寸時,發(fā)生脆性解理斷裂。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V252;V263;TG132.3
【圖文】：

圖 1-1 TiAl 合金各相的晶體結(jié)構(gòu)[14](a) TiAl 相；(b) α2相；(c) B2 相1.2.2 TiAl 合金的顯微組織與性能TiAl 合金的力學(xué)性能與顯微組織密切相關(guān)。目前認(rèn)定，TiAl 基合金室溫顯微織有四種，如圖 1-2 所示，根據(jù)組織中α2相、γ相和α2/γ層片團(tuán)體積分?jǐn)?shù)的所占比例TiAl 合金組織大致可以分為：(1)全層片狀組織(full-lamellar microstructure)，(2)近片狀組織(near-lamellar microstructure)，(3)雙態(tài)組織(duplex microstructure)，(4)等近γ單相組織(single γ-phase)[16]。TiAl 基合金的四種顯微組織在性能有差異較大[16全片層組織和近片層組織在這四種顯微組織中表現(xiàn)出較高的抗蠕變性及斷裂韌性但全片層組織和近片層組織的成相溫度高，晶團(tuán)較粗大，所以拉伸延展性差。細(xì)雙態(tài)組織顯示出低的斷裂韌性和抗蠕變性，但是在室溫下具有優(yōu)良的延伸率。等近γ單相組織的性能不理想，研究價值不大。

圖 1-1 TiAl 合金各相的晶體結(jié)構(gòu)[14](a) TiAl 相；(b) α2相；(c) B2 相l(xiāng) 合金的顯微組織與性能 合金的力學(xué)性能與顯微組織密切相關(guān)。目前認(rèn)定，TiAl 基合金室溫，如圖 1-2 所示，根據(jù)組織中α2相、γ相和α2/γ層片團(tuán)體積分?jǐn)?shù)的所組織大致可以分為：(1)全層片狀組織(full-lamellar microstructure)，(near-lamellar microstructure)，(3)雙態(tài)組織(duplex microstructure)，織(single γ-phase)[16]。TiAl 基合金的四種顯微組織在性能有差異較織和近片層組織在這四種顯微組織中表現(xiàn)出較高的抗蠕變性及斷裂組織和近片層組織的成相溫度高，晶團(tuán)較粗大，所以拉伸延展性差顯示出低的斷裂韌性和抗蠕變性，但是在室溫下具有優(yōu)良的延伸率織的性能不理想，研究價值不大。

圖 1-4 光浮區(qū)法制備 TiAl 合金 PST 晶體[14]布里基曼法又稱坩堝下降法，是科學(xué)家 P.W.Bridgman 提出的一種定向凝固的技術(shù)[7]。該方法是將原材料放入坩堝中，加熱坩堝并熔融其中的材料，然后緩慢向下移動坩堝，坩堝內(nèi)熔體經(jīng)過生長爐時遇低溫結(jié)晶，而后晶體沿著坩堝移動的反方向長大，獲得定向組織。生長爐內(nèi)縱向的溫度分布由三個區(qū)域組成：高溫區(qū)（hightemperature zone），梯度區(qū)(gradient zone)，低溫區(qū)（low temperature zone）。高溫區(qū)內(nèi)有加熱裝置，一般使用電阻絲或電磁感應(yīng)線圈加熱，坩堝中的原材料在高溫區(qū)是熔融狀態(tài)。低溫區(qū)內(nèi)存在冷卻裝置，冷卻介質(zhì)可以采用水、液態(tài)金屬、固體粉末等。在高溫區(qū)和低溫區(qū)之間存在一個梯度區(qū)，這里由于銜接高溫區(qū)和低溫區(qū)，因此形成較大的溫度梯度。采用一定的方法控制高溫區(qū)的側(cè)向散熱，使生長爐保持一維的溫度梯度，防止晶體的側(cè)向生長。該方法對設(shè)備要求不高，可操控性好。但是Bridgman 法定向凝固存在一些缺點(diǎn)。合金在凝固過程中存在溶質(zhì)分離，使得凝固組織中存在成分偏析，惡化性能。其次在使用 Bridgman 法制備 TiAl 合金時，活潑的Ti 元素與膜殼接觸時極易發(fā)生反應(yīng)。為了制備出高效、無污染的定向凝固 TiAl 合金鑄錠，研究人員[23]將定向凝固、

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 張宇;王曉鵬;孔凡濤;陳玉勇;;合金成分對TiAl合金熱變形加工影響的研究進(jìn)展[J];稀有金屬材料與工程;2017年11期

2 胡海濤;張熹雯;朱春雷;李勝;張繼;;鑄造TiAl合金的凝固偏析特征[J];鑄造;2019年07期

3 徐萌;張樹志;趙宇;張長江;林鵬;韓建超;朱冬冬;;合金元素對β-γTiAl合金熱處理組織的影響[J];稀有金屬材料與工程;2019年01期

4 曹倬菡;孫宇;萬志鵬;任麗麗;胡連喜;;TiAl合金高溫變形過程臨界損傷模型[J];中國有色金屬學(xué)報;2018年04期

5 焦?jié)奢x;于慧臣;董成利;魯原;高帆;;TiAl合金高溫疲勞小裂紋與長裂紋擴(kuò)展行為[J];稀有金屬材料與工程;2019年02期

6 馬騰飛;陳瑞潤;;β相穩(wěn)定元素對TiAl合金高溫變形行為的影響[J];鈦工業(yè)進(jìn)展;2019年01期

7 吳勝男;張逸;;TiAl合金與42CrMo鋼真空電阻釬焊工藝研究[J];材料開發(fā)與應(yīng)用;2018年06期

8 陳占興;丁宏升;陳瑞潤;郭景杰;傅恒志;;脈沖電流作用下TiAl合金凝固組織演變及形成機(jī)理[J];金屬學(xué)報;2019年05期

9 羅國虎;戴曉莉;;PLC機(jī)器人等離子表面處理技術(shù)后航空用TiAl合金材料表面共滲層氧化行為研究[J];科技廣場;2017年10期

10 徐一;梁文萍;繆強(qiáng);王玲;任蓓蕾;崔世宇;夏金姣;姚正軍;;γ-TiAl合金表面Al_2O_3/Al復(fù)合涂層的抗高溫熔鹽腐蝕性能（英文）[J];稀有金屬材料與工程;2018年04期

相關(guān)會議論文 前7條

1 王亮;焦?jié)奢x;黃新躍;趙澎濤;;TiAl合金高溫高周疲勞力學(xué)行為研究[A];“測試性與智能測控技術(shù)”——2018年中國航空測控技術(shù)�？痆C];2018年

2 伍廉奎;莫敏華;曹華珍;鄭國渠;;基于陽極氧化技術(shù)的“鹵素效應(yīng)”提高TiAl合金抗高溫氧化性能[A];2017浙江省腐蝕與防護(hù)學(xué)術(shù)與技術(shù)發(fā)展論壇——現(xiàn)代表面技術(shù)推廣應(yīng)用學(xué)術(shù)研討會主題報告及交流論文選編[C];2017年

3 伍廉奎;吳偉耀;侯廣亞;曹華珍;唐誼平;鄭國渠;;基于電沉積SiO2涂層提高TiAl合金抗高溫氧化性能[A];2018年全國腐蝕電化學(xué)及測試方法學(xué)術(shù)交流會論文集[C];2018年

4 孔凡濤;張樹志;陳玉勇;;Ti-46Al-2Cr-4Nb-Y合金的高溫變形及加工圖[A];第十四屆全國鈦及鈦合金學(xué)術(shù)交流會論文集（上冊）[C];2010年

5 昌霞;張小彬;韓付會;司家勇;張繼;;γ-TiAl合金熱工藝模擬及組織研究[A];2011中國功能材料科技與產(chǎn)業(yè)高層論壇論文集（第三卷）[C];2011年

6 門日秀;王秀娟;王正;辛鴻;曹睿;;增壓器TiAl合金渦輪超速失效模式下的斷裂機(jī)理分析[A];2011年全國機(jī)械行業(yè)可靠性技術(shù)學(xué)術(shù)交流會暨第四屆可靠性工程分會第三次全體委員大會論文集[C];2011年

7 薛紅前;陶華;Bayraktar E;Bathias C;;TiAl合金高周彎曲疲勞研究[A];中國力學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)大會'2005論文摘要集（下）[C];2005年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 馮廣杰;C_f/Al復(fù)合材料與TiAl合金自蔓延連接工藝及機(jī)理研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2018年

2 何壇;Nb含量對TiAl合金凝固特性與組織演化行為的影響[D];西北工業(yè)大學(xué);2017年

3 楊光;高鈮TiAl合金凝固行為及組織演化研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2016年

4 程亮;高鈮TiAl合金超塑性力學(xué)行為及變形機(jī)制研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2016年

5 曹守臻;TiAl合金熱處理過程中亞穩(wěn)相形成機(jī)制研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2017年

6 劉宏武;（γ+α_2+B2）三相TiAl合金熱加工特性及組織性能研究[D];燕山大學(xué);2017年

7 葉喜蔥;小型薄壁TiAl基合金件底注式真空吸鑄技術(shù)基礎(chǔ)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

8 柴麗華;快速凝固TiAl基合金的組織演變研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

9 賈q

本文編號：2787342