【摘要】：高Nb-TiAl合金是發(fā)展先進(jìn)高溫輕質(zhì)合金的典范,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天以及汽車(chē)制造業(yè)。高Nb-TiAl合金既保持了普通TiAl合金密度低、剛度高、750oC下較好的抗氧化等優(yōu)點(diǎn),同時(shí),Nb元素的加入提高了合金的有序化溫度和熔點(diǎn),進(jìn)一步增強(qiáng)了合金的抗氧化性、抗蠕變性。本文采用非自耗真空電弧冶煉技術(shù)+水冷銅坩堝的方法制備了42種TiAl基合金鑄錠,每個(gè)合金鑄錠都經(jīng)過(guò)5次反復(fù)熔煉以及均勻化退火處理。對(duì)所得合金的顯微組織、物相相關(guān)參數(shù)以及合金局域特征等三個(gè)方面進(jìn)行了研究,分析了合金凝固組織特征、物相組成、晶格常數(shù)演變、局域結(jié)構(gòu)以及合金的原子堆垛結(jié)構(gòu)特征,為高Nb-TiAl合金的性能分析以及應(yīng)用研究奠定基礎(chǔ)。TiAl基合金中金相組織以及物相組成隨著Nb元素含量的增加發(fā)生變化。通過(guò)光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察合金顯微組織,結(jié)果發(fā)現(xiàn),Nb元素的加入,有利于合金組織的均勻細(xì)化,在Al含量低于35%(at.%,下同)的TiAl合金中,Nb元素的添加,可以促進(jìn)板條組織細(xì)化,使得合金晶粒由大于100μm,細(xì)化到低于30μm;Al含量為35%~51.5%的TiAl合金顯微組織都是α_2/γ片層,Nb元素的加入細(xì)化了合金中片層間距,使得片層間距可以小于1μm;在Al含量較高(53%)的TiAl合金中,有大量孿晶存在,Nb元素的加入細(xì)化了晶粒尺寸。在Al含量為35%~51.5%的TiAl合金中,片層組織尺寸隨Al元素的增多而增大;在顯微組織形態(tài)上,Nb元素穩(wěn)定了合金α_2相組織,抑制了γ相的生成。通過(guò)對(duì)比TiAl合金二元相圖和XRD衍射數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)合金物相組成也發(fā)生了變化:Nb是β相的穩(wěn)定元素,Al含量為20%的合金中,10%Nb元素的加入促使合金中出現(xiàn)了β相。高Nb-TiAl合金中物相含量和晶格參數(shù)隨著Nb元素含量的增加發(fā)生改變。本課題收集了2組不同Al含量共14種合金的X射線衍射數(shù)據(jù),采用絕熱法對(duì)合金物相含量進(jìn)行計(jì)算。高Nb-TiAl合金物相定量分析結(jié)果顯示:Nb含量較高的TiAl基合金中α_2相含量比Nb含量較低的TiAl基合金中的多,隨著TiAl合金中Nb元素含量的增加,α_2相的穩(wěn)定性增加,γ相轉(zhuǎn)變受到抑制。用第一性原理方法計(jì)算了Nb元素含量分別為12.5%和3.125%的高Nb-TiAl合金中γ相晶格常數(shù),計(jì)算結(jié)果表明,Nb添加量的增加,使得γ相晶格常數(shù)增加。對(duì)X射線衍射數(shù)據(jù)進(jìn)行物相晶格常數(shù)的計(jì)算,結(jié)果表明:隨著Nb元素含量的增加,高Nb-TiAl合金中α_2相的晶格常數(shù)逐漸減小,γ相晶格常數(shù)逐漸變大。實(shí)驗(yàn)中對(duì)于γ相晶格常數(shù)計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相吻合,證實(shí)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。高Nb-TiAl合金局域結(jié)構(gòu)特征分析結(jié)果表明,Nb元素的添加改變了合金的原子堆垛結(jié)構(gòu)。本課題通過(guò)徑向分布函數(shù)分析技術(shù)對(duì)合金堆垛結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算,由原子徑向分布(PDF)曲線可以得到合金各原子殼層中原子占位及配位數(shù)的變化情況。實(shí)驗(yàn)證明:TiAl合金中隨著Nb元素含量的增加,原子結(jié)合方式發(fā)生變化,原子堆垛結(jié)構(gòu)發(fā)生改變;PDF曲線第一峰降低,也就是說(shuō)高Nb元素含量的加入,使得TiAl合金結(jié)構(gòu)中最近鄰原子數(shù)目減少,原子配位數(shù)減少;Nb元素的加入導(dǎo)致PDF曲線中峰形尖銳度的降低,Nb元素不利于鈦鋁合金原子結(jié)構(gòu)的有序化。
【學(xué)位授予單位】：山東建筑大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG132.3
【圖文】：

圖1.1 為發(fā)動(dòng)機(jī)不同部位所對(duì)應(yīng)的材料。自 Ni 基合金的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)被研制出來(lái)之后，作為輕質(zhì)合金的 Ti 合金也逐漸受到了人們的關(guān)注。20 世紀(jì) 50 年代起，鈦合金已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)的鋁、鋼結(jié)構(gòu)成為重要的航空結(jié)構(gòu)材料，普通鈦合金密度小、強(qiáng)度高，具有良好的抗腐蝕性能，但是其工作溫度較低，約為 580oC[2]，研發(fā)具有更高工作溫度的輕質(zhì)材料成為眾多航空材料工作者的工作重心。圖 1.1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的選擇兼有金屬鍵和共價(jià)鍵的金屬間化合物—TiAl合金的出現(xiàn)吸引了大量科研工作者的關(guān)注，表 1.1 列出了幾種常見(jiàn)高溫材料性能比較。由表可知，TiAl 基合金彈性模量比 Ti 基合金大，略低于 Ni 基合金；低于 850oC 時(shí)，TiAl 基合金與 Ni 基合金的高溫性能十分接近

山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文amma，NG）[16, 17]，如圖1.3所示。根據(jù)圖1.4(a)Ti-Al二元合金相圖，Al含量為50%（百分比at.%，除特殊說(shuō)明外本論文中所涉及合金元素含量均為at.%）的鈦鋁合金，于共析溫度時(shí)，進(jìn)行退火處理可獲得等軸近γ組織，由γ等軸晶和極少量的2相組成2和γ兩相體積分?jǐn)?shù)相等的相區(qū)，保溫一段時(shí)間后冷卻到室溫，就可以獲得由2/γ片γ等軸晶粒組成的雙態(tài)組織；在略低于 轉(zhuǎn)變溫度處進(jìn)行保溫，隨著保溫時(shí)間的的增加層的含量隨著增加，γ相含量降低，通過(guò)爐冷或者空冷后，構(gòu)成近片層組織，且片層隨著冷卻速度的增加而減小；在 相轉(zhuǎn)變溫度以上10~20oC進(jìn)行保溫，緩慢冷卻，即到全片層組織[18, 19]。

圖 1.4 Ti-Al 二元合金相圖 常見(jiàn) TiAl 基合金物相至今已經(jīng)有很多有關(guān)TiAl合金中物相研究的報(bào)道，表1.3列出了文獻(xiàn)中出現(xiàn)過(guò)的l-Nb合金物相及其相關(guān)信息[24-29]。在常見(jiàn)TiAl基合金中，涉及最多的物相是 、2、γ1） -Ti相是高溫相，晶體結(jié)構(gòu)為密排六方，其晶格常數(shù)為 a=2.9508 ，c=4.6885 ，1180oC以下 相會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)?-Ti3Al相；（2）2-Ti3Al相是具有D019超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的有序相，面為（0001），通常出現(xiàn)在Al含量為20%到39.6%之間的TiAl合金中[30]；（3）γ-TiAlL10超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，Ti原子和Al原子交替排列在（002）晶面上，c/a為1.02，通常出現(xiàn)l含量為46.7%到64.5%之間，可以穩(wěn)定存在1465oC以下溫度。 TiAl 合金制備目前，鈦鋁基合金正常冷凝制備的方法[31-33]有鑄錠冶金，粉末冶金法，鑄造技術(shù)等，流程如圖 1.5 所示，不同的制備技術(shù)對(duì)應(yīng)不同用途的合金。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 周清;祝民強(qiáng);;IDL尋優(yōu)函數(shù)在混合像元分解中的應(yīng)用[J];測(cè)繪與空間地理信息;2015年10期

2 徐向俊;宋霖;梁永峰;林均品;;高鈮TiAl合金中Nb偏析區(qū)的相變規(guī)律[J];材料熱處理學(xué)報(bào);2015年08期

3 歐陽(yáng)思慧;劉彬;李建波;徐禮友;劉詠;;Nb元素對(duì)粉末冶金TiAl基合金高溫氧化行為的影響[J];粉末冶金材料科學(xué)與工程;2015年04期

4 李勇;劉國(guó)懷;王昭東;付天亮;李新中;蘇彥慶;郭景杰;傅恒志;;定向凝固高Nb含量TiAl合金微觀組織演化與溶質(zhì)偏析規(guī)律[J];金屬學(xué)報(bào);2015年08期

5 楊銳;;鈦鋁金屬間化合物的進(jìn)展與挑戰(zhàn)[J];金屬學(xué)報(bào);2015年02期

6 彭英博;王廣甫;陳鋒;陳光;;Nb、Cr和Mo對(duì)新型β/γ-TiAl合金組織與相變的影響[J];材料科學(xué)與工藝;2014年05期

7 鄒亢;徐廣通;蓋金祥;馬春陽(yáng);;脫硫吸附劑物相快速定量分析技術(shù)及其應(yīng)用[J];石油煉制與化工;2014年10期

8 殷軼娜;孫鴻雁;查楠;惠陽(yáng);;基于IDL和Java混編的地震前兆流體數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)[J];防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報(bào);2014年03期

9 劉娣;張利軍;米磊;郭凱;薛祥義;;TiAl合金的制備及應(yīng)用現(xiàn)狀[J];鈦工業(yè)進(jìn)展;2014年04期

10 蔡建明;曹春曉;;新一代600℃高溫鈦合金材料的合金設(shè)計(jì)及應(yīng)用展望[J];航空材料學(xué)報(bào);2014年04期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前5條

1 范菁;基于TDL的對(duì)象模型建模及編譯工具開(kāi)發(fā)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2017年

2 張效飛;Zr_(50)Cu_(40)Al_(10)金屬熔體及非晶態(tài)合金的原子結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)—性質(zhì)的關(guān)系研究[D];太原理工大學(xué);2017年

3 李琨;Ti-45Al-5Nb合金定向凝固過(guò)程組織演化規(guī)律[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2011年

4 張國(guó)亮;粉末冶金TiAl基合金制備與組織性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2007年

5 張偉;離心鑄造雙金屬?gòu)?fù)合管凝固模擬前后處理研究[D];西安建筑科技大學(xué);2007年

本文編號(hào)：2748084