【摘要】：高Nb-TiAl合金是發(fā)展先進高溫輕質(zhì)合金的典范,已經(jīng)被廣泛應用于航空航天以及汽車制造業(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,同時,Nb元素的加入提高了合金的有序化溫度和熔點,進一步增強了合金的抗氧化性、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,每個合金鑄錠都經(jīng)過5次反復熔煉以及均勻化退火處理。對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方面進行了研究,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。通過光學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,可以促進板條組織細化,使得合金晶粒由大于100μm,細化到低于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。通過對比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),采用絕熱法對合金物相含量進行計算。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X射線衍射數(shù)據(jù)進行物相晶格常數(shù)的計算,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。實驗中對于γ相晶格常數(shù)計算結(jié)果與理論計算結(jié)果相吻合,證實了實驗數(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)。本課題通過徑向分布函數(shù)分析技術(shù)對合金堆垛結(jié)構(gòu)進行計算,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。實驗證明: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。
【學位授予單位】：山東建筑大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG132.3
【圖文】：

圖1.1 為發(fā)動機不同部位所對應的材料。自 Ni 基合金的渦輪發(fā)動機被研制出來之后，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 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)動機材料的選擇兼有金屬鍵和共價鍵的金屬間化合物—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，TiAl 基合金與 Ni 基合金的高溫性能十分接近

山東建筑大學碩士學位論文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，進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兩相體積分數(shù)相等的相區(qū)，保溫一段時間后冷卻到室溫，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)變溫度處進行保溫，隨著保溫時間的的增加層的含量隨著增加，γ相含量降低，通過爐冷或者空冷后，構(gòu)成近片層組織，且片層隨著冷卻速度的增加而減��；在 相轉(zhuǎn)變溫度以上10~20oC進行保溫，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 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道，表1.3列出了文獻中出現(xiàn)過的l-Nb合金物相及其相關(guān)信息[24-29]。在常見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 相會轉(zhuǎn)變?yōu)?-Ti3Al相；（2）2-Ti3Al相是具有D019超點陣結(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)對應不同用途的合金。

【參考文獻】

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本文編號：2748084