【摘要】：TiAl合金具有優(yōu)異的比強度、高溫抗氧化和抗蠕變性能,在航空航天領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。TiAl合金優(yōu)異的斷裂韌性和蠕變性能與其組織中特殊的(α2+γ)層片團密切相關(guān)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,材料研究者逐步建立了 TiAl合金二元相圖,TiAl合金高溫相變理論逐步趨于完善,然而在高溫雙相區(qū)形成(α2+γ)層片團所涉及的相變?nèi)源嬖谝恍幾h。Denquin提出TiAl合金高溫α→y形成層片團的相變過程存在亞穩(wěn)FCC相,即α→FCC→γ逐步實現(xiàn)α相到γ相晶格結(jié)構(gòu)和化學成分的轉(zhuǎn)變。Denquin理論可準確解釋TiAl合金層片團組織中各類實驗現(xiàn)象,卻一直未發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵的亞穩(wěn)FCC過渡相的存在。本文以傳統(tǒng)鑄造γ-TiAl合金、鑄造高鈮γ-TiAl合金和鍛造β/γ-TiAl合金為實驗材料,通過特殊熱處理的方法首次發(fā)現(xiàn)了該亞穩(wěn)FCC相,即Ll2-Ti3Al相,并確定Ll2相在三類典型TiAl合金中均存在。TiAl合金在800℃-1000℃特殊熱處理的組織中會析出亞穩(wěn)Ti2Al相,Ti2Al相也被認為是α/α2相與γ相之間的一種過渡相。全文系統(tǒng)研究了 α/α2相與γ相之間過渡亞穩(wěn)L12相和Ti2Al相的析出位置、析出形貌、析出因素以及兩種亞穩(wěn)相的聯(lián)系與區(qū)別,同時研究了三類典型TiAl合金不同熱處理工藝下的組織性能和類Ti2Al相的亞穩(wěn)相(αN相和γN相)的析出。研究了高鈮γ-TiAl 合金(Ti-46Al-6Nb)和高鈮β/γ-TiAl 合金(Ti-44.5Al-8Nb-2.5V)熔融態(tài)淬火和隨后的850℃/5h退火過程的組織演變。首次在淬火γ相的退火組織中檢測到FCC結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)L12-Ti3Al相,為Denquin高溫相變理論中的亞穩(wěn)FCC相。L12相形成機制為淬火γ相1/2[110]位置的Al原子被Ti原子取代,導致化學成分、晶格參數(shù)發(fā)生變化,最終形成L12相,L12相晶格參數(shù)α=b=c=0.3994nm。淬火 Ti-46Al-6Nb 合金和淬火 Ti-44.5Al-8Nb-2.5V 合金的退火組織中均有板條狀L12相析出,二元γ-TiA1(Ti-47Al)的驗證實驗表明L12相的析出不是Nb、V元素的作用結(jié)果。L12←→γ相變反應(yīng)為擴散型相變,相變速率對溫度敏感,相變過程初始關(guān)系:(001)γ//(OO1)L12,[010]γ//[010]L12,[100]γ//[100]L12;L12←→α/α2相變過程由肖克萊不完全位錯開動引起,為非擴散型相變,相變速率對溫度不敏感,相變過程遵循位向關(guān)系:(0001)α2//{111}L12,1120α2//110L12。以往亞穩(wěn)Ti2Al相均在800℃-1000℃特殊熱處理的組織(淬火或高溫變形)中觀察到。本文系統(tǒng)對三類TiAl合金的常規(guī)熱處理、循環(huán)熱處理和特殊熱處理后的組織展開分析,在上述熱處理組織和TiAl合金鑄態(tài)組織中均發(fā)現(xiàn)存在于α2相和γ相臺階面處的亞穩(wěn)Ti2Al相,實現(xiàn)α2相與γ相晶格結(jié)構(gòu)和化學成分的過渡,同時,特殊熱處理組織中的γ相內(nèi)還可觀察到單獨析出的Ti2Al相。Ti2Al相為(0001)α2和{111}γ密排面堆垛順序發(fā)生周期性改變而形成,堆垛順序為...AB'CBC'BCA...,晶格參數(shù)為α=0.301nm,c=1.431nm。分析表明α2相與γ相臺階面處晶格錯配較大,且兩相堆垛順序不同,如果臺階面與寬面相垂直,則臺階面處必然存在亞穩(wěn)Ti2Al相,實現(xiàn)α2相與γ相堆垛順序和化學成分的過渡。分析表明,亞穩(wěn)L12相和Ti2Al相均為α/α2相與γ相之間的過渡相,實現(xiàn)α/α2相與γ相在晶格結(jié)構(gòu)和化學成分上的過渡。不同的是,L12相存在于α/α2相與 γ相的寬面處,在高溫相變的過程中,L12相的位置不斷推進從而實現(xiàn)γ片層在α相中的長大。而Ti2Al相存在于α2相和γ相的臺階面處,在層片團形成的過程中,γ相與α2相的臺階面由肖克萊位錯塞積處L12相的逐層推動累積而形成;L12相在高溫下存留時間很短,很難保留至室溫,目前僅在淬火γ相的退火組織中觀察到了L12相。而Ti2Al相則在TiAl合金典型組織中均存在,且在800℃-1000℃的特殊熱處理工藝中,可在γ相中觀察到單獨析出的Ti2AI相;L12相在淬火丫相中形成,相變驅(qū)動力為淬火γ相中大量存在的反空位缺陷。而單獨析出的Ti2AI相在大變形量丫相中形成,相變驅(qū)動力為γ相中高密度位錯。研究了三類典型TiAl合金不同熱處理工藝下組織性能及類Ti2Al亞穩(wěn)相(定義為γN相和αN相)的析出。經(jīng)多步熱處理、熱機械處理或循環(huán)熱處理后的TiAl合金顯微組織均得到明顯細化,尤其是Ti-46Al-1Cr-2V合金組織經(jīng)循環(huán)熱處理后由毫米級粗大柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榫Я３叽缂s為50μm的等軸晶,室溫拉伸應(yīng)變由0.6%提高至1.5%。γ-TiAl合金(Ti-46Al-6Nb)的淬火組織由塊狀轉(zhuǎn)變γm相及塊狀αb相組成,而β/γ-TiAl合金(Ti-44.5Al-8Nb-2.5V)的淬火組織與γ-TiAl合金的淬火組織明顯不同,由網(wǎng)籃狀(βbv+αp)相和條狀γs相組成。網(wǎng)籃組織中βbv相與αp相之間存在Burgers 位向關(guān)系:111βbv//1120αp,{110}βbv//(0001)αp,0110αp//[112]βbv。Ti-44.5Al-8Nb-2.5V合金特殊熱處理組織中發(fā)現(xiàn)兩種新的類似于Ti2Al相的亞穩(wěn)相(αN相和γN相),αN相存在于α”相與αT”相臺階面處,由{O111}α”面堆垛順序發(fā)生周期性改變而形成;γN相存在于γ相和γT相臺階面處,由{111}γ面堆垛方式由ABCA轉(zhuǎn)變?yōu)锳B'C'A而形成。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TG166.5;TG146.23

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本文編號：2303524