【摘要】：自從Banerjee等人發(fā)現(xiàn)正交有序O相(Ti_2AlNb相)以來(lái),因其較高的比強(qiáng)度、比模量及優(yōu)異抗氧化和耐腐蝕性能,Ti_2AlNb合金被認(rèn)為是650~800℃溫度范圍內(nèi)極具應(yīng)用潛力的新型輕量化航天用高溫結(jié)構(gòu)材料。然而,Ti_2AlNb合金鑄錠制備困難、組織敏感性較強(qiáng),后續(xù)加工成形條件苛刻,從而限制了該合金在航空航天領(lǐng)域內(nèi)廣泛的應(yīng)用。因此,研究開(kāi)發(fā)Ti_2AlNb合金制備新工藝、闡述高溫變形機(jī)理、優(yōu)化顯微組織就顯得尤為重要。本文采用元素粉末法制備Ti_2AlNb合金,對(duì)真空熱壓燒結(jié)工藝、塑性變形工藝、高溫變形機(jī)理以及變形過(guò)程中組織、織構(gòu)演變及力學(xué)性能變化進(jìn)行系統(tǒng)研究。同時(shí),為進(jìn)一步拓展Ti_2AlNb合金工程化應(yīng)用前景,本文系統(tǒng)研究Ti_2AlNb合金電流輔助連接技術(shù),并成功制備Ti_2AlNb合金三層中空結(jié)構(gòu)件。首先,本文選取Ti、Al及Nb元素粉末為研究對(duì)象,采用低能球磨結(jié)合分步燒結(jié)工藝制備了組織均勻的低成本Ti-22Al-25Nb合金坯料;研究了燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間對(duì)合金顯微組織、相含量及力學(xué)性能的影響規(guī)律;進(jìn)一步揭示了低能球磨結(jié)合分步燒結(jié)制備Ti-22Al-25Nb合金工藝過(guò)程中組織演變規(guī)律。最終獲得具體低能球磨工藝參數(shù):球料比為5:1,球磨時(shí)間為4 h,球磨轉(zhuǎn)速為190 r/min。分步燒結(jié)工藝:預(yù)燒結(jié)溫度630℃,保溫時(shí)間1 h,壓力為25 MPa;燒結(jié)溫度為1250℃,保溫時(shí)間為2 h,壓力為35 MPa。然后,本文對(duì)低能球磨結(jié)合分步燒結(jié)制備的Ti-22Al-25Nb坯料進(jìn)行了熱擠壓變形,細(xì)化晶粒,彌合孔洞,提高合金機(jī)械性能。此外,研究了熱擠壓工藝對(duì)顯微組織、織構(gòu)及機(jī)械性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn):B2相區(qū)熱擠壓后,Ti-22Al-25Nb合金燒結(jié)過(guò)程中存在的大塊α_2相消失。同時(shí),部分B2相晶粒沿?cái)D壓方向變形、拉長(zhǎng);其余B2相在晶界位置出現(xiàn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象,生成細(xì)小晶粒。此外,在擠壓過(guò)程中產(chǎn)生較強(qiáng)的(110)_(B2)//ED擠壓織構(gòu)及{001}111和{111}131?再結(jié)晶織構(gòu)。擠壓態(tài)Ti-22Al-25Nb合金在室溫、650℃和800℃條件下的抗拉強(qiáng)度分別增加到1122.7 MPa、916 MPa和613.1 MPa。同熱壓燒結(jié)態(tài)Ti-22Al-25Nb合金相比,分別增加了67%、40.6%和30.6%。同時(shí),擠壓態(tài)Ti-22Al-25Nb合金的斷裂韌性也得到大大改善,室溫、650℃和800℃的斷裂延伸率分別達(dá)到7.9%、10.6%/和16.1%。另外,隨著拉伸溫度的逐漸升高,該合金的斷裂機(jī)理由解理斷裂轉(zhuǎn)變成韌性斷裂。此外,采用熱壓縮實(shí)驗(yàn)分析了擠壓態(tài)Ti-22Al-25Nb合金的高溫變形機(jī)理,分別采用雙曲正弦模型及動(dòng)態(tài)材料模型計(jì)算得到合金在1213~1333K/0.001~1.0 s~(-1)范圍內(nèi)真應(yīng)變耦合的本構(gòu)方程及熱加工圖。結(jié)果表明:變形溫度、應(yīng)變量及應(yīng)變速率對(duì)擠壓態(tài)Ti-22Al-25Nb合金高溫本構(gòu)方程有顯著的影響。在熱加工圖塑性變形穩(wěn)態(tài)區(qū)主要變形機(jī)理為動(dòng)態(tài)球化及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,塑性變形失穩(wěn)區(qū)(T1270 K,?0.02 s~(-1))主要變形機(jī)理為開(kāi)裂、絕熱剪切帶。最后,本文采用電流輔助技術(shù),研究了擠壓態(tài)Ti-22Al-25Nb合金電流輔助連接新工藝。結(jié)果表明:電流輔助連接過(guò)程中連接試樣溫度場(chǎng)呈現(xiàn)分布不均勻規(guī)律。其中,連接界面處溫度最高。隨擴(kuò)散溫度的增加、擴(kuò)散時(shí)間的延長(zhǎng),連接界面處孔洞逐漸減小直到消失。當(dāng)擴(kuò)散溫度達(dá)到960℃,擴(kuò)散時(shí)間延長(zhǎng)到20 min,施加壓力達(dá)到10 MPa時(shí),可以得到完全冶金結(jié)合的擴(kuò)散接頭,接頭的剪切強(qiáng)度可以達(dá)到269.3 MPa。進(jìn)一步結(jié)合電流輔助熱彎曲工藝,成功實(shí)現(xiàn)Ti_2AlNb合金三層中空結(jié)構(gòu)制備。
【圖文】：

第 1 章 緒 論合金的過(guò)程中，通過(guò) β 相區(qū)熱處理后第一次發(fā)現(xiàn)具有 Cmcm 結(jié)構(gòu)的正交有序Orthorhombic 相，并進(jìn)行了深入、系統(tǒng)的研究，包括顯微結(jié)構(gòu)、形成機(jī)理、相轉(zhuǎn)變、滑移變形等，并取得了大量開(kāi)創(chuàng)性的成果[32-35]。20 世紀(jì) 90 年代，Rowe 等人[36, 37]首次申請(qǐng)了 Ti2AlNb 合金領(lǐng)域內(nèi)的第一個(gè)專利，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了 Ti-22Al-23Nb 合金和 Ti-22Al-27Nb 合金，其中，后者在室溫及 650℃條件下的抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到 1290 MPa 和 1260 MPa。Kumpfert 等人[38]詳細(xì)研究了 Ti-22Al-25Nb 合金的相轉(zhuǎn)變過(guò)程，揭示了相轉(zhuǎn)變機(jī)理并同時(shí)確定了該合金的相變動(dòng)力學(xué)。隨后，Miracle 等人[39]繪制了 Ti-Al-Nb 三元系在 Ti2AlNb附近的相圖。近年來(lái)，，關(guān)于 Ti2AlNb 合金的研究也取得了較大的突破。美國(guó)學(xué)者 Boehlert 等人[40-42]詳細(xì)闡述了 Ti2AlNb 合金的冶煉、塑性變形、熱處理等工藝以及相轉(zhuǎn)變、組織織構(gòu)演變、機(jī)械性能。俄羅斯學(xué)者 Shagiev 等人[43]運(yùn)用等溫鍛造工藝制備了晶粒尺寸為 300 nm左右的亞微米尺寸 Ti2AlNb 基合金，其抗拉強(qiáng)度及室溫延伸率可分別達(dá)到 1400 MPa 和 25 %。其中，在 850℃就具有超塑性能，促進(jìn)了 Ti2AlNb 基合金應(yīng)用。

圖 1-3 Ti2AlNb 合金中三相的空間結(jié)構(gòu)圖[74]a) α2相, b) B2 相, c) O 相Fig. 1-3 Crystal structure of three phases in Ti2AlNb alloys[74]a) α2phase, b) B2 phase, c) O phase
【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)】：TF125.22

【參考文獻(xiàn)】

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1 王偉;曾衛(wèi)東;Q

本文編號(hào)：2677064