【摘要】：作為新型輕質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)材料,TiAl金屬間化合物具有低密度、優(yōu)異的高溫性能,在航空飛行器熱防護(hù)系統(tǒng),發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、噴嘴以及航天發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件和蒙皮等方面具有廣泛的應(yīng)用潛力。高溫包套軋制作為最具有應(yīng)用潛力的TiAl合金板材制備技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)TiAl合金板材的高質(zhì)量成形,是目前國內(nèi)外研究熱點(diǎn)之一。然而TiAl合金熱加工窗口窄,高溫變性抗力大,以及軋制過程中高應(yīng)變速率和高應(yīng)變導(dǎo)致TiAl板材在軋制過程中易發(fā)生開裂等問題,制備難度大,限制了TiAl合金板材的熱成形及后續(xù)的工程化應(yīng)用。新型Beta-gamma TiAl合金通過添加大量的β相穩(wěn)定元素,有效改善了合金的高溫變形能力,拓寬了TiAl合金的熱加工窗口,從而提高了TiAl合金板材的成形質(zhì)量。本文以Beta-gamma型Ti-43Al-9V-0.2Y合金作為研究對象,對軋制過程中的變形機(jī)制、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為、顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,優(yōu)化了該合金的熱軋制工藝參數(shù),最終制備出高質(zhì)量的TiAl合金板材。基于GOS動(dòng)態(tài)再結(jié)晶研究方法,分析了TiAl合金板材在1200℃軋制過程中的高溫變形行為以及γ相的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為。研究發(fā)現(xiàn)軋制后板材中γ晶粒得到明顯細(xì)化(10.5μm),γ相的再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)升高(~65%),板材中大角晶界體積分?jǐn)?shù)增加,小角晶界體積分?jǐn)?shù)降低。通過對晶粒取向進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)合金板材在軋制過程中由非連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶(DDRX)和連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶(CDRX)行為共同協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)板材高溫軋制變形,非連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為同時(shí)伴隨著取向?yàn)棣?89°±3°100大角晶界的形成,而連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程伴隨著位錯(cuò)堆積、亞晶界以及幾何晶界等動(dòng)態(tài)回復(fù)行為。合金板材在750℃拉伸測試時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫塑性(53%),說明該合金的脆-韌性轉(zhuǎn)變溫度為700-750℃。根據(jù)Ti-43Al-9V-0.2Y合金的DSC曲線分析,可知該合金的α(α_2)+β+γ三相區(qū)溫度區(qū)間位于1109-1226℃之間,按照多相區(qū)有利于細(xì)化板材晶粒的原則,選擇三相區(qū)對板材進(jìn)行軋制并研究軋制溫度對合金顯微組織、再結(jié)晶行為、織構(gòu)演變以及力學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)在相對較低溫度軋制有利于晶粒的細(xì)化,β→γ相變促使細(xì)小的γ板條從β基體中析出,隨著軋制溫度的升高,這些γ板條尺寸逐漸長大并等軸化;低溫軋制促進(jìn)了γ相的再結(jié)晶形核,而高溫軋制促進(jìn)了再結(jié)晶晶粒的長大,再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)隨著軋制溫度的升高而升高;織構(gòu)的演變也主要取決于軋制溫度,隨著軋制溫度的升高,具有001取向的再結(jié)晶織構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂?00,01~—0和11~—0取向的變形織構(gòu)。通過對不同溫度軋制板材的室溫和高溫拉伸性能進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)板材的室溫和高溫拉伸強(qiáng)度隨著軋制溫度的升高而降低,低溫軋制板材中大量的小角晶界、具有001取向的再結(jié)晶強(qiáng)織構(gòu)、細(xì)小的γ板條以及納米機(jī)械孿晶有利于板材強(qiáng)度的提高,1100℃軋制的TiAl合金板材的室溫強(qiáng)度可達(dá)945 MPa,750℃拉伸時(shí),板材的強(qiáng)度仍可以保持在550 MPa以上;同時(shí)1100℃軋制的板材表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫塑性,高應(yīng)變應(yīng)力產(chǎn)生高密度位錯(cuò),大量的小角晶界在高溫拉伸過程中為γ相再結(jié)晶提供形核質(zhì)點(diǎn),使750℃時(shí)的拉伸塑性提高到80%以上。研究了TiAl合金板材在(α+γ)雙相區(qū)軋制過程中顯微組織變化,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(α+γ)雙相區(qū)進(jìn)行軋制,合金板材中發(fā)生了復(fù)雜的相變行為,導(dǎo)致板材中形成了兩種類型的層片結(jié)構(gòu):粗大的β/γ層片和細(xì)小的α_2/γ層片(平均尺寸:~25μm)。軋制過程中的應(yīng)力導(dǎo)致發(fā)生β→γ相變,促使γ片層從β相基體中析出,形成粗大的β/γ層片;而細(xì)小的α_2/γ層片的形成主要是由于軋制過程中的溫降和應(yīng)力共同作用形成的,軋制初期γ相從α相中析出,軋制后期應(yīng)力促使細(xì)小的γ_T層片從α_2/γ層片中沉淀析出,發(fā)生α+γ→α_2+γ/γ_T相變形為,最終形成α_2/γ層片結(jié)構(gòu)。通過對(α+γ)雙相區(qū)軋制的TiAl合金板材中的層片結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在α_2/γ層片中形成了納米尺度的反相疇結(jié)構(gòu)(APD),揭示了反相疇界(APB)的形成機(jī)制,并研究了納米尺度反向疇結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)納米尺度(~15nm)的反向疇結(jié)構(gòu)同時(shí)存在于異質(zhì)的和規(guī)則的α_2/γ層片中,多道次軋制過程中溫降和反復(fù)保溫促使發(fā)生α→β+γ和α→α_2+γ相變,α/α_2相中的反相疇界是α→α_2無序到有序轉(zhuǎn)變過程中原子遷移的結(jié)果。APB在變形過程中可以有效阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),納米尺度的APD有利于提高板材的拉伸強(qiáng)度。相對于其他成分的Beta-gamma TiAl合金,該板材表現(xiàn)出非常優(yōu)異的室溫拉伸強(qiáng)度(826 MPa)和室溫塑性(1.4%)。通過對1100℃軋制的TiAl合金板材的顯微組織以及超塑性行為進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)該板材表現(xiàn)出非常優(yōu)異的低溫超塑性行為,板材在800℃拉伸溫度測試時(shí),應(yīng)變速率敏感因子為m=~0.3,延伸率就可以達(dá)到100%以上,在900℃拉伸測試時(shí)該板材獲得了最大的延伸率(~362%);TiAl合金板材超塑性變形機(jī)制為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為和晶界滑移。
【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】：2018
【分類號(hào)】：TG339
【圖文】：

圖 1-1 TiAl 合金和其他高溫結(jié)構(gòu)材料性能對比[4]Fig. 1-1 Variation of specific yield strength (a) and specific stiffness (b) with temperature selctedstructural materials in comparison with TiAl alloys發(fā)動(dòng)機(jī)，減重效果更加明顯[7]；Snecma 和 GE 公司共同合作將 TiAl 合金應(yīng)用到LEAP 航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片上，LEAP 航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要為 Boeing B737MAX、

圖 1-2 (a) TiAl 合金在 GE 90-115B 噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用；(b) TiAl 合金葉片在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用[1, 8]Fig. 1-2 (a) Illustration of the GE 90-115B jet engine, showing its various components; (b)application of TiAl blades in areo engines另外，TiAl 合金板材在熱保護(hù)系統(tǒng)以及高溫蜂窩結(jié)構(gòu)材料具有巨大的應(yīng)用潛力，上世紀(jì) 90 年代，National Aero-Space Plane (NASP)、Intergrated High Performce

的 4822 合金（Ti-48Al-2Cr-2Nb）、美國 Howmet 公司研發(fā)的 l-2Mn-2Nb-0.8B）以及 ABB 公司研發(fā)的 47WSi 合金（Ti-47Al-2 合金的鑄造葉片在航空發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用[18-21]。Ti-(45-48)Al-(1-3)X-(2-5)Y-(<1)Z —Cr、Mn、V；—Nb、Ta、W、Mo；—Si、B、C；代 TiAl 合金：根據(jù)合金成分不同，主要分塊狀轉(zhuǎn)變合金、高 Beta-gamma TiAl 合金： 塊狀轉(zhuǎn)變合金 在中等冷卻速度的條件下， 相不經(jīng)過擴(kuò)散的 TiAl 合金。Hu 等對 Ti-46Al-8Nb 合金的塊體轉(zhuǎn)變進(jìn)行了系發(fā)現(xiàn)，冷卻速度是決定塊狀 γ 相合金形成的關(guān)鍵因素，冷卻速的關(guān)系如圖 1-3 所示[22]，并系統(tǒng)地研究了添加 B 元素細(xì)化晶粒Massive 相變的影響，表明 B 元素細(xì)化的元素組織越小，Mas顯微組織越細(xì)小，但是關(guān)于塊狀轉(zhuǎn)變合金的應(yīng)用目前還沒有相

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2 王s

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