發(fā)布時間：2020-05-31 23:30

【摘要】：TiAl基合金具有低密度、高強度、良好的的抗高溫氧化和抗蠕變性能,是一種極具潛力的輕質(zhì)高溫結構材料,但是室溫塑性低,加工成本高阻礙其廣泛應用。粉末冶金工藝作為一種近終成形技術,可制備低成本,復雜形狀的TiAl基合金,但合金粉末的燒結活性低、致密化困難。因此本文以高Nb-TiAl預合金粉末為原料,添加微量Sn元素粉末為活化燒結助劑,通過實驗與理論計算相結合研究微合金化Sn元素對高Nb-TiAl合金綜合性能的影響及燒結致密化機理,對微合金化后的TiAl合金的室溫力學性能、高溫變形行為以及高溫氧化行為進行系統(tǒng)研究。并采用注射成形工藝制備Sn微合金化高Nb-TiAl合金零件。主要研究結論如下:采用粉末冶金無壓燒結工藝,以Ti-45Al-8.5Nb-0.2W-0.2B-0.02Y(簡稱TiAl-OSn)預合金粉末為原料,添加不同含量(0～5at.%)Sn元素粉末,在1430～1540℃燒結制備致密TiAl-xSn(x=0～5at.%)合金材料。研究表明:添加微量Sn元素有助于降低合金的燒結致密化溫度,提高燒結坯的致密度,從而有利于降低合金組織晶粒度、改善合金綜合性能。其中1510℃/2h所制備的TiAl-lSn合金,其致密度達到98%,組織為α2/γ相構成的均勻細小的全片層結構,片層團尺寸為60～80μm,。Sn添加抑制晶界β相偏析,但添加量超過1at.%后片層問距變大,添加量達到5at.%后會在晶界析出富Sn相。隨著Sn添加量的增加,合金的洛氏硬度值增大。微量Sn元素(1at.%)的添加可以顯著改善合金的室溫壓縮性能,經(jīng)1510℃燒結制備TiAl-lSn合金的力學性能最優(yōu),洛氏硬度值為72.2HRA,抗壓強度為2938MPa,屈服強度為680MPa,壓縮率為29%。Sn主要固溶于α2相中,少量固溶于γ相,使合金中γ相含量增加,α2相體積分數(shù)下降。TiAl-xSn(x=0,0.5,1,1.5)合金進行高溫壓縮變形時,合金的屈服強度隨變形溫度的升高、應變速率的降低而降低,塑性不斷增加。Sn元素的添加可以使得相同變形溫度下合金流變應力提高,這主要是由于Sn元素的固溶強化作用。Sn元素的添加可以降低高Nb-TiAl合金脆韌轉變溫度,TiAl-OSn合金韌脆轉變溫度為900℃,而TiAl-lSn合金700℃時已出現(xiàn)明顯的流變軟化行為;800℃下,未添加Sn時,合金內(nèi)僅存在形變孿晶,造成晶體切變量有限,變形量小;添加Sn后合金中變形機制為大量位錯在晶內(nèi)滑移,孿晶切變作為補充,使變形量得到提高。合金在高溫塑性變形時,峰值流變應力、應變速率和變形溫度之間較好地滿足雙曲正弦形式的Arrhenius關系,說明其變形受熱激活控制。在700～1000℃/0.2～0.002s-1條件下,TiAl-OSn與TiAl-lSn合金高溫變形激活能分別為:311kJ/mol、429kJ/mol。添加Sn提升了高Nb-TiAl合金高溫抗氧化性能,在900℃氧化100h的增重小于TiAl-OSn合金,添加量0.5～1at.%時抗氧化性能較優(yōu)。Sn添加可減小合金氧化膜厚度,改變氧化膜結構,抑制氧化層裂紋產(chǎn)生。經(jīng)過900℃高溫氧化100h后,TiAl-xSn(x=0.5,1,1.5)合金的氧化膜均較薄且致密,從表面到基體依次為:表層分布Ti02顆粒的A1203層/Ti02層/富Nb、Sn層(少量TiN)/Ti3Al層/基體。TiAl-OSn合金氧化膜較厚,出現(xiàn)裂紋,從表面到基體依次為:TiO2層/Al2O3層/TiO2+Al2O3層/富Nb層/基體。添加Sn合金中Sn與Nb共同作用,富集在氧化膜與基體的過渡層,形成了一層富Nb、Sn的阻隔層;同時Sn添加穩(wěn)定了合金中TiN,阻礙Ti從基體向外擴散,從而減小了氧化膜厚度及TiO2顆粒尺寸,改善合金抗氧化性能。采用Materials Studio軟件CASTEP模塊對Sn摻雜γ-TiAl合金體系的晶格參量、原子平均形成能、彈性模量、態(tài)密度和重疊布居數(shù)等性能進行了計算。計算結果可以發(fā)現(xiàn),Sn摻雜體系的穩(wěn)定性均略低于純γ-TiAl體系,形成能計算結果表明Sn原子更傾向于替代A1原子位置。軸比和彈性模量的計算結果均表明Sn在1/54原子濃度摻雜時,會對γ-TiAl合金的延性有所改善,與實驗結果相一致。分析其重疊布居數(shù)可以發(fā)現(xiàn),摻雜Sn元素可以降低γ-TiAl合金內(nèi)共價鍵的各向異性程度,從而使延性得到改善。設計了一種適合TiAl合金注射成形的催化脫脂型粘結劑,配方為85wt.%POM,5wt.%HDPE,2wt.%EVA,3wt.%CW,5wt.%SA,粉末裝載量達到65vol%。在180℃，剪切速率1412s-1時喂料流動行為指數(shù)n值為0.521,粘流活化能E為28.18kJ/mol。研究了催化脫脂工藝,合適的脫脂參數(shù)為115℃脫脂6h,進酸量1.3g/min。脫脂后雜質(zhì)含量增加較少,主要原因是脫脂溫度較低,脫脂時間短。探討了燒結工藝對合金致密度、顯微組織及性能的影響。升高燒結溫度與延長保溫時間均會提高合金致密度,過高的燒結溫度與過長的保溫時間造成晶粒粗大,對力學性能不利。TiAl-lSn合金在1510℃燒結2h,抗拉強度為402MPa,低于鑄態(tài)合金,延伸率0.44%,與鑄態(tài)合金相當。合金抗壓強度及壓縮率分別為2930MPa,34.3%,均優(yōu)于鑄態(tài)合金。
【圖文】：

２．１邐ＴｉＡｌ基合金研究進展逡逑２．１．１邐ＴｉＡｌ基合金相圖與晶體結構逡逑圖２－１為Ｔｉ－Ａｌ二元平衡扣圖，，它的平衡固相有：⑴具有ｂｃｃ結構的ｐ－Ｔｉ逡逑相和ｈｅｐ結構的ａ－Ｔｉ固溶體，Ａ１在二者中的最大溶解度分別為４８％和４５％；逡逑（２）Ｔｉ３Ａｌ相，具有Ｄ０１９超點陣結構，基于ａ－Ｔｉ的低溫有序ｈｅｐ相，Ａ１含量范逡逑圍２０？３８％，邋—般表示為ｔｘ２相；（３）邋ＴｉＡ丨相，具有Ｌｌ0結構有序四方相，Ａ１逡逑含量范圍４８？６８％，由ｐ－Ｔｉ相在包晶反應形成，可表示為Ｙ相；（４）邋ＴｉＡｌ２和５逡逑相，為有序ｆｅｅ結構；（５）邋ＴｉＡｌ３相，具有化學計量比的Ｄ０２２結構低溫相，為逡逑ｆｅｅ結構；（６）邋Ａ１基固溶體，具有ｆｅｅ結構，其中Ｔｉ的最大溶解度約為０．７％［６］。逡逑由相圖可知，在一定的Ａ１含量區(qū)間，丫單相區(qū)可以一直保持到１４５０°Ｃ。逡逑此外

程化的潛力。丫相為Ｌｌ0有序結構，晶格常數(shù)為ａ＝０．３９８ｎｍ，邋ｃ＝０．４０４ｎｍ，其逡逑四方度ｃ／ａ＝１．０１５，并會隨著Ａ１含量的升高而略有增加。晶胞中Ｔｉ原子和Ａ１逡逑原子沿〈00１＞晶向在相鄰（００１）晶面上交替排列（圖２－２ａ）。ａ２相具有0０１９結逡逑構，它是從無序的高溫ａ相經(jīng)有序轉變而來，原子密排面為（０００〗），晶格常逡逑數(shù)ａ＝０．５７８ｎｍ，邋ｃ＝０．４６７ｎｍ（圖２－２ｂ）。Ｐ相為ＢＣＣ結構高溫無序相，晶格常數(shù)逡逑為ａ邋＝０．３１６？０．３２３ｎｍ
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TF125.22

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 周時宇;蔡一湘;羅鐵鋼;艾延齡;;鈦注射成形用催化脫脂型喂料的制備與性能研究[J];粉末冶金技術;2015年02期

2 楊銳;;鈦鋁金屬間化合物的進展與挑戰(zhàn)[J];金屬學報;2015年02期

3 王艷晶;柳樂;宋玫錦;王繼杰;杜興蒿;;W、B、Y微合金化高鈮TiAl基合金高溫抗氧化性研究[J];稀有金屬材料與工程;2014年08期

4 劉文勝;龍路平;馬運柱;;催化脫脂型粘結劑組分的相容性[J];中國有色金屬學報;2012年07期

5 韓勇;范景蓮;劉濤;成會朝;田家敏;;高密度純鎢的低溫活化燒結工藝及其致密化行為[J];稀有金屬材料與工程;2012年07期

6 ;High-temperature mechanical properties and deformation behavior of high Nb containing TiAl alloys fabricated by spark plasma sintering[J];International Journal of Minerals Metallurgy and Materials;2012年04期

7 陳華;趙占奎;;細晶TiAl基合金的制備及高溫氧化行為[J];稀有金屬材料與工程;2011年02期

8 路新;王述超;朱鴻民;曲選輝;;粉末冶金TiAl基合金高溫變形行為[J];北京科技大學學報;2010年09期

9 曲選輝;;粉末注射成形的研究進展[J];中國材料進展;2010年05期

10 ;Powder injection molding of pure titanium[J];Rare Metals;2009年03期

相關博士學位論文 前3條

1 楊亮;鑄造高Nb-TiAl合金成分優(yōu)化及其精密鑄造工藝研究[D];北京科技大學;2016年

2 秦永和;稀土摻雜TiAl金屬間化合物結構和性能的第一性原理研究[D];哈爾濱工程大學;2015年

3 孫金峰;MA制備非化學計量比TiC_x和TiN_x及其燒結特性的研究[D];燕山大學;2010年

相關碩士學位論文 前1條

1 鄭禮清;粉末注射成形催化脫脂研究[D];中南大學;2009年

本文編號：2690626