本文關(guān)鍵詞：Beta-gamma TiAl合金成分設(shè)計(jì)及高溫變形行為研究

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【摘要】：Ti Al合金具有密度低、強(qiáng)度高、抗蠕變性能和抗氧化性能好等優(yōu)點(diǎn),是替代航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)中Ni基高溫合金的備選材料之一。但較差的熱塑性和本征脆性始終制約著Ti Al合金的發(fā)展。熱機(jī)械處理是細(xì)化合金顯微組織、提高合金性能的有效手段。因此,具有優(yōu)異熱塑性成形能力的beta-gamma Ti Al合金成為研究的熱點(diǎn)。本文針對(duì)beta-gamma Ti Al合金的成分設(shè)計(jì)、組成相硬度、高溫變形行為以及約束鍛造等方面開(kāi)展了相關(guān)研究。研究了β相穩(wěn)定元素對(duì)Ti Al合金中室溫β0相和高溫β相的影響。提出了室溫Mo當(dāng)量公式,并建立了“合金成分-室溫Mo當(dāng)量-β0相含量”的關(guān)系。利用室溫Mo當(dāng)量能夠估算Ti Al合金中β0相的含量。當(dāng)室溫Mo當(dāng)量達(dá)到1,合金中開(kāi)始析出β0相。鑄造Ti Al合金的室溫Mo當(dāng)量應(yīng)低于1,以避免合金中出現(xiàn)β0相。提出了高溫Mo當(dāng)量公式,并建立了“合金成分-高溫Mo當(dāng)量-β相含量-熱塑性”的關(guān)系。利用高溫Mo當(dāng)量能有效評(píng)價(jià)Ti Al合金的熱塑性。當(dāng)高溫Mo當(dāng)量大于1.5,合金的熱壓縮峰值應(yīng)力應(yīng)低于100MPa,合金在1200℃/0.01s-1條件下能夠具有優(yōu)異的熱塑性。兩種Mo當(dāng)量為beta-gamma Ti Al合金的成分設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。研究了不同β相穩(wěn)定元素對(duì)Ti Al合金組成相硬度的影響。納米壓痕測(cè)試表明,對(duì)同一種合金,組成相的硬度從大到小依次為:β0γ/α2γ。不同元素對(duì)γ相和γ/α2片層的硬度影響較小,對(duì)β0相的硬度影響較大。Cr、Mn和V引入的β0相硬度較低;Nb、Mo和W引入的β0相硬度較高。通過(guò)合金化降低β0相的硬度,能夠提高β0相自身的變形能力,并改善組成相之間的協(xié)調(diào)變形,有利于提高合金的力學(xué)性能。根據(jù)beta-gamma Ti Al合金成分設(shè)計(jì)的研究,設(shè)計(jì)了Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金。利用等溫?zé)釅嚎s實(shí)驗(yàn),研究了該合金的鑄錠在1100℃-1225℃/0.01s-1-0.5s-1條件下的高溫變形行為。結(jié)果表明Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金具有優(yōu)異的高溫變形能力。利用Arrhenius公式計(jì)算出鑄態(tài)合金的變形激活能為377KJ/mol。合金的組織演變與溫度和應(yīng)變速率密切相關(guān)。在低溫和高應(yīng)變速率的條件下,合金主要發(fā)生片層的彎曲和粗化;隨著溫度的升高和應(yīng)變速率的降低,合金逐漸發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,粗大的片層組織轉(zhuǎn)化為細(xì)小的γ晶粒。研究了包套對(duì)Ti Al合金高溫變形的影響,發(fā)現(xiàn)不銹鋼包套能有效約束Ti Al合金的變形,避免合金在熱變形過(guò)程中發(fā)生開(kāi)裂。構(gòu)建了Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金的熱加工圖。結(jié)合熱加工圖、組織觀察和實(shí)際鍛造條件,提出Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金的實(shí)際包套鍛造溫度為1200℃,應(yīng)變速率為0.05s-1。研究了Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金的片層在高溫變形過(guò)程中的演變。在1200℃/0.01s-1條件下,當(dāng)變形量達(dá)到60%,硬取向的粗大片層能夠發(fā)生較為完全的破壞。在β0→β無(wú)序轉(zhuǎn)變溫度以下,裂紋易出現(xiàn)在β0相附近。在高溫大變形的作用下,γ片層會(huì)通過(guò)相界弓出促進(jìn)片層分解,同時(shí)合金中的α2相和γ相發(fā)生分解。隨著變形量的增加,合金中會(huì)產(chǎn)生大量位錯(cuò)。在位錯(cuò)密度集中的區(qū)域,合金會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是片層分解的主要機(jī)制。在位錯(cuò)密度較低的區(qū)域,會(huì)形成大量亞晶界,也有助于片層分解。采用一步近等溫包套鍛造制備了大變形量的Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金鍛坯。邊緣的變形量達(dá)80%,芯部的變形量達(dá)90%。合金經(jīng)鍛造后發(fā)生了較為完全的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。鍛態(tài)組織由等軸γ相、少量β0相和α2相組成。鍛坯具有良好的組織均勻性。鍛坯的芯部和邊緣均由細(xì)小的等軸晶粒組成。合金的拉伸性能經(jīng)鍛造后得到顯著改善。鍛態(tài)合金的室溫拉伸強(qiáng)度提高至657MPa,延伸率提高至0.86%。鍛態(tài)合金的拉伸性能還與溫度密切相關(guān)。當(dāng)溫度為650℃時(shí),合金的拉伸強(qiáng)度和延伸率分別為549MPa和3.6%。當(dāng)溫度提高到700℃,合金的拉伸強(qiáng)度為496MPa,延伸率增加至10%。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高至750℃,合金的延伸率急劇增加至42%,拉伸強(qiáng)度仍在400MPa以上。研究了鍛態(tài)合金不同組織的熱處理工藝及其對(duì)拉伸性能的影響。經(jīng)1320℃/10min/FC熱處理可獲得片層晶團(tuán)尺寸小于200μm的全片層組織。經(jīng)1250℃/4h/FC熱處理可獲得等軸γ晶粒和細(xì)小片層晶團(tuán)均勻分布的雙態(tài)組織。其中具有雙態(tài)組織的Ti Al合金的室溫延伸率可達(dá)1%。
【關(guān)鍵詞】：Ti Al合金 成分設(shè)計(jì) 硬度 高溫變形 組織演變
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V231;V252.2
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第1章 緒論15-40
• 1.1 研究背景15-17
• 1.2 Ti Al合金的研究現(xiàn)狀17-28
• 1.2.1 Ti Al合金的相組成及典型組織17-21
• 1.2.2 Ti Al合金的合金化21-26
• 1.2.3 Beta-gamma Ti Al合金的研究現(xiàn)狀26-28
• 1.3 Ti Al合金的熱機(jī)械處理28-34
• 1.3.1 Ti Al合金的熱加工技術(shù)28-31
• 1.3.2 本構(gòu)關(guān)系31-32
• 1.3.3 熱加工圖及其應(yīng)用32-34
• 1.4 Ti Al合金的機(jī)械性能34-35
• 1.5 當(dāng)量法在合金設(shè)計(jì)中的應(yīng)用35-38
• 1.6 課題的意義及主要研究?jī)?nèi)容38-40
• 第2章 實(shí)驗(yàn)材料及方法40-44
• 2.1 Ti Al合金的制備40-41
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)材料40
• 2.1.2 Ti Al合金鑄錠的制備40-41
• 2.1.3 具有一定片層取向的Ti Al合金的制備41
• 2.1.4 Ti Al合金的約束鍛造41
• 2.2 實(shí)驗(yàn)方法41-44
• 2.2.1 顯微組織觀察41-42
• 2.2.2 X射線衍射分析42
• 2.2.3 X射線熒光光譜分析42-43
• 2.2.4 熱物理模擬43
• 2.2.5 納米硬度測(cè)試43
• 2.2.6 拉伸性能測(cè)試43-44
• 第3章 β 相穩(wěn)定元素對(duì)Ti Al合金相組成及熱塑性的影響44-73
• 3.1 引言44
• 3.2 Beta-gamma Ti Al合金鑄錠的成分選擇44-47
• 3.3 β 相穩(wěn)定元素對(duì)Ti Al合金室溫組織的影響47-54
• 3.3.1 單一 β 相穩(wěn)定元素對(duì)室溫 β0相含量的影響48-50
• 3.3.2 不同 β 相穩(wěn)定元素對(duì)室溫 β0相含量的協(xié)同作用50-52
• 3.3.3 室溫Mo當(dāng)量在Ti Al合金成分設(shè)計(jì)中的應(yīng)用52-54
• 3.4 β 相穩(wěn)定元素對(duì)Ti Al合金高溫組織及熱塑性的影響54-65
• 3.4.1 β 相穩(wěn)定元素對(duì)高溫 β 相含量的影響54-59
• 3.4.2 高溫Mo當(dāng)量在高熱塑性Ti Al合金成分設(shè)計(jì)中的應(yīng)用59-65
• 3.5 不同 β 相穩(wěn)定元素對(duì)Ti Al合金組成相硬度的影響65-67
• 3.6 不同組織細(xì)化元素的細(xì)化效果對(duì)比67-71
• 3.7 本章小結(jié)71-73
• 第4章 Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金的鑄態(tài)組織與性能73-86
• 4.1 引言73
• 4.2 Ti-Al-Cr-Mn系合金的成分設(shè)計(jì)73-77
• 4.3 Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金鑄錠的熔煉及組織性能77-81
• 4.3.1 Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金的熔煉及鑄態(tài)組織77-80
• 4.3.2 鑄態(tài)Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金的拉伸性能80-81
• 4.4 具有一定片層取向的Ti Al合金的顯微組織81-85
• 4.5 本章小結(jié)85-86
• 第5章 Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金的高溫變形行為86-114
• 5.1 引言86
• 5.2 Ti Al合金熱壓縮試樣的制備86-87
• 5.3 Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金鑄錠的熱模擬及加工工藝優(yōu)化87-103
• 5.3.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線87-89
• 5.3.2 熱變形的本構(gòu)關(guān)系89-92
• 5.3.3 熱加工圖及熱加工工藝優(yōu)化92-94
• 5.3.4 包套對(duì)Ti Al合金高溫變形的影響94-96
• 5.3.5 溫度和應(yīng)變速率對(duì)合金組織的影響96-101
• 5.3.6 熱變形過(guò)程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為101-103
• 5.4 變形量對(duì)Ti Al合金組織演變的影響103-110
• 5.4.1 變形量對(duì)片層組織分解的影響103-105
• 5.4.2 Ti Al合金的片層粗化105-107
• 5.4.3 Ti Al合金的片層分解107-109
• 5.4.4 Ti Al合金中 β0相的形態(tài)與分布109-110
• 5.5 片層取向?qū)i Al合金熱壓縮性能的影響110-112
• 5.6 本章小結(jié)112-114
• 第6章 Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金的約束鍛造及組織性能114-135
• 6.1 引言114
• 6.2 Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金的約束鍛造114-122
• 6.2.1 約束鍛造工藝114-116
• 6.2.2 鍛坯的顯微組織分析116-121
• 6.2.3 組成相的硬度分析121-122
• 6.3 鍛態(tài)Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金不同組織的熱處理工藝122-126
• 6.3.1 全片層組織的熱處理工藝122-124
• 6.3.2 雙態(tài)組織的熱處理工藝124-126
• 6.4 Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金的力學(xué)性能126-131
• 6.4.1 鍛態(tài)合金的室溫和高溫拉伸性能126-129
• 6.4.2 不同組織狀態(tài)對(duì)合金室溫和高溫拉伸性能的影響129-131
• 6.5 不同beta-gamma Ti Al合金的高溫變形行為對(duì)比131-134
• 6.6 本章小結(jié)134-135
• 結(jié)論135-137
• 參考文獻(xiàn)137-152
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果152-154
• 致謝154-155
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷155

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