本文關(guān)鍵詞：Ti-45Al-10Nb合金的粉末冶金法制備與組織性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：TiAl基合金是一種輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料,具有低密度、高比強(qiáng)度、高比剛度、優(yōu)異的高溫抗蠕變和抗氧化能力等優(yōu)點(diǎn),在汽車及航空航天領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。高鈮含量Ti Al合金作為Ti Al基合金的發(fā)展典范,是當(dāng)前Ti Al基合金研究的熱點(diǎn)之一。然而,高鈮Ti Al合金鑄錠制備困難,且難加工成形,極大的限制了其廣泛應(yīng)用。本文采用元素粉末冶金工藝制備了成分為Ti-45Al-10Nb(at.%)的高鈮Ti Al合金,對(duì)機(jī)械球磨、真空熱壓燒結(jié)、等溫鍛造、熱處理等工藝以及所得材料的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。采用機(jī)械球磨法成功制備了細(xì)晶Ti-45Al-10Nb復(fù)合粉末,揭示了球磨過(guò)程中粉末形貌、粒徑、元素分布隨球磨時(shí)間的演變規(guī)律,并對(duì)球磨10h粉末的晶體缺陷,不同球磨時(shí)間的復(fù)合粉末物相組成、晶粒尺寸、顯微硬度進(jìn)行了分析,最后對(duì)復(fù)合粉末的熱穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,隨著球磨時(shí)間的增加,Ti-45Al-10Nb復(fù)合粉末顆粒尺寸先增大后變小,并逐漸趨于等軸化,粒度及晶粒尺寸逐漸細(xì)化,粒度分布范圍變窄,但整個(gè)球磨過(guò)程中未形成新相。球磨8h的復(fù)合粉末顯微硬度值最高,達(dá)到870HV。對(duì)10h球磨粉末熱分析表明:加熱過(guò)程中在低溫463~677℃及高溫1200~1350℃區(qū)間分別存在兩個(gè)放熱峰和吸熱峰,這分別與粉末在加熱過(guò)程Al的融化及Ti-Al金屬間化合物的形成與相轉(zhuǎn)變有關(guān)。對(duì)球磨10h的Ti-45Al-10Nb復(fù)合粉末采用真空熱壓燒結(jié)工藝進(jìn)行固結(jié)致密,制備塊體合金,對(duì)不同燒結(jié)工藝下制備的合金組織及力學(xué)性能進(jìn)行了分析,同時(shí)研究了燒結(jié)態(tài)合金的熱變形行為。不同燒結(jié)工藝條件下制備的Ti-45Al-10Nb合金塊體均由γ-Ti Al、α2-Ti3Al和Ti2Al C三相組成。隨著燒結(jié)時(shí)間的增加或保溫時(shí)間的延長(zhǎng),Nb元素逐漸固溶于Ti Al基體組織中,且分布更均勻。Ti-45Al-10Nb合金基體組織的晶粒隨燒結(jié)溫度的升高逐漸長(zhǎng)大,當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到1350℃時(shí),產(chǎn)生粗大片層晶團(tuán)。Ti2Al C陶瓷相有細(xì)化Ti-45Al-10Nb合金組織、提高燒結(jié)合金強(qiáng)度的作用。燒結(jié)態(tài)Ti-45Al-10Nb合金展現(xiàn)出高強(qiáng)度和低塑性,這與Nb元素的固溶及Ti2Al C相的形成等組織特征有關(guān)。最后,建立了燒結(jié)態(tài)Ti-45Al-10Nb合金熱變形本構(gòu)方程,為后續(xù)制定塑性加工工藝提供指導(dǎo)。對(duì)燒結(jié)態(tài)Ti-45Al-10Nb合金進(jìn)行等溫鍛造,成功制備了優(yōu)質(zhì)的Ti-45Al-10Nb合金鍛坯。Ti-45Al-10Nb合金的鍛態(tài)組織由細(xì)小的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒及少量殘余片層組成,再結(jié)晶晶粒平均尺寸約為10μm。不同區(qū)域再結(jié)晶程度不同,鍛塊心部發(fā)生了完全再結(jié)晶,而沿著直徑方向,再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)逐漸降低,剩余片層晶團(tuán)含量逐漸增加,這與變形過(guò)程中鍛塊不同區(qū)域的變形量及所處應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。采用中間停留保溫的兩步鍛造工藝有利于提高鍛態(tài)合金中再結(jié)晶組織的含量。相對(duì)于燒結(jié)態(tài)合金,鍛態(tài)Ti-45Al-10Nb合金顯示出了更優(yōu)異的力學(xué)性能,其室溫延伸率達(dá)到0.7%,強(qiáng)度為929MPa;900℃時(shí),拉伸應(yīng)變達(dá)到30.87%,是燒結(jié)態(tài)的2.5倍多。在1000℃/1×10-5s-1條件下拉伸時(shí),鍛態(tài)Ti-45Al-10Nb合金表現(xiàn)出了超塑性,工程應(yīng)變達(dá)到173%,變形過(guò)程中孔洞的產(chǎn)生及橫向連接,導(dǎo)致了超塑性變形試樣的斷裂。研究了鍛態(tài)Ti-45Al-10Nb合金的熱處理工藝,得出了不同組織的熱處理制度,并研究了組織與力學(xué)性能的關(guān)系。鍛態(tài)Ti-45Al-10Nb合金在α單相區(qū)熱處理時(shí)(高于1320℃)可以得到全片層組織,熱處理溫度對(duì)片層晶尺寸影響較大,而保溫時(shí)間影響較小;在α2+γ兩相區(qū)熱處理時(shí),很難得到雙態(tài)組織,雙態(tài)組織的獲得需經(jīng)過(guò)在α相區(qū)及α2+γ相區(qū)采用兩步熱處理的工藝實(shí)現(xiàn)。鍛態(tài)Ti-45Al-10Nb合金的組織穩(wěn)定性是由于Nb元素的固溶提高了γ相的高溫穩(wěn)定性。與鍛態(tài)Ti-45Al-10Nb合金相比,熱處理后具有全片層組織和雙態(tài)組織的Ti-45Al-10Nb合金強(qiáng)度優(yōu)于鍛態(tài)合金的,但三者塑性隨組織變化無(wú)明顯變化;具有等軸晶組織的Ti-45Al-10Nb合金表現(xiàn)出優(yōu)異的塑性,950℃下達(dá)到42.5%。片層晶團(tuán)的含量對(duì)Ti-45Al-10Nb合金的斷裂韌性的影響最大,所有組織類型中,全片層組織斷裂韌值最高,為14.6MPa·m1/2。研究了鍛態(tài)Ti-45Al-10Nb合金在850℃、900℃、950℃時(shí)的高溫氧化行為,氧化時(shí)間最長(zhǎng)為192h,主要對(duì)合金氧化層表面形貌、相組成、氧化層剖面形貌及氧化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究。Ti-45Al-10Nb合金的高溫抗氧化能力與其氧化層中緊靠基體組織區(qū)域是否形成連續(xù)致密的Al2O3層有直接關(guān)系,Ti-45Al-10Nb合金具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能主要因?yàn)檫B續(xù)富Nb氧化層的形成抑制了內(nèi)層Ti元素的外擴(kuò)散并促進(jìn)了Al2O3層的形成。燒結(jié)態(tài)Ti-45Al-10Nb合金由于具有更細(xì)小的組織結(jié)構(gòu),比鍛態(tài)合金具有更好的高溫抗氧化能力。
【關(guān)鍵詞】：Ti-45Al-10Nb 元素粉末冶金 等溫鍛造 顯微組織 恒溫氧化
【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】：2015
【分類號(hào)】：TG146.23;TF12
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-16
• 第1章 緒論16-37
• 1.1 研究背景16-17
• 1.2 TiAl基合金概述17-21
• 1.2.1 晶體結(jié)構(gòu)17-18
• 1.2.2 相圖與相轉(zhuǎn)變18-20
• 1.2.3 顯微組織與力學(xué)性能20-21
• 1.3 TiAl合金研究現(xiàn)狀21-25
• 1.3.1 TiAl合金的發(fā)展歷程21-23
• 1.3.2 幾種主要工程TiAl合金23-24
• 1.3.3 TiAl合金存在的主要問(wèn)題24-25
• 1.4 高Nb-TiAl合金研究現(xiàn)狀25-27
• 1.5 TiAl合金制備加工技術(shù)27-32
• 1.5.1 鑄錠冶金27-29
• 1.5.2 高溫?cái)D壓29-30
• 1.5.3 高溫鍛造30-31
• 1.5.4 板材軋制31-32
• 1.6 粉末冶金法制備TiAl合金32-35
• 1.6.1 元素粉末冶金法33
• 1.6.2 預(yù)合金粉末冶金法33-34
• 1.6.3 自蔓延合成及放電等離子燒結(jié)34-35
• 1.7 選題意義及主要研究?jī)?nèi)容35-37
• 1.7.1 選題意義35-36
• 1.7.2 主要研究?jī)?nèi)容36-37
• 第2章 實(shí)驗(yàn)材料及研究方法37-45
• 2.1 實(shí)驗(yàn)材料37
• 2.2 材料制備37-42
• 2.2.1 工藝路線37-38
• 2.2.2 球磨制粉38-39
• 2.2.3 熱壓燒結(jié)39-41
• 2.2.4 等溫鍛造41-42
• 2.3 分析測(cè)試方法42-45
• 2.3.1 密度測(cè)量42
• 2.3.2 顯微組織及相組成分析42-43
• 2.3.3 力學(xué)性能測(cè)試43-44
• 2.3.4 高溫抗氧化性測(cè)試44-45
• 第3章 Ti-45Al-10Nb復(fù)合粉末制備及表征45-64
• 3.1 引言45
• 3.2 Ti-45Al-10Nb復(fù)合粉末顯微組織研究45-57
• 3.2.1 球磨速度和過(guò)程控制劑對(duì)粉末形貌的影響45-48
• 3.2.2 球磨時(shí)間對(duì)粉末形貌的影響48-51
• 3.2.3 球磨粉末粒度分布51-53
• 3.2.4 球磨粉末成分均勻性分析53-56
• 3.2.5 球磨粉末晶體缺陷56-57
• 3.3 Ti-45Al-10Nb復(fù)合粉末物相及晶粒尺寸分析57-59
• 3.3.1 物相分析57-58
• 3.3.2 晶粒尺寸分析58-59
• 3.4 Ti-45Al-10Nb復(fù)合粉末顯微硬度分析59-60
• 3.5 Ti-45Al-10Nb復(fù)合粉末熱穩(wěn)定性分析60-63
• 3.6 本章小結(jié)63-64
• 第4章 熱壓燒結(jié)Ti-45Al-10Nb合金組織與性能研究64-94
• 4.1 引言64-65
• 4.2 燒結(jié)Ti-45Al-10Nb合金組織分析65-72
• 4.2.1 燒結(jié)塊體物相組成分析65-67
• 4.2.2 燒結(jié)塊體金相組織分析67-69
• 4.2.3 燒結(jié)組織的SEM分析69-70
• 4.2.4 燒結(jié)組織的TEM分析70-72
• 4.3 燒結(jié)組織相形成機(jī)理與熱力學(xué)分析72-76
• 4.3.1 組織形成機(jī)理分析72-74
• 4.3.2 相的形成及轉(zhuǎn)變熱力學(xué)分析74-76
• 4.4 燒結(jié)塊體中Ti_2Al C相、Nb元素的分布及孔洞76-83
• 4.4.1 Ti_2Al C相的來(lái)源及存在形式76-79
• 4.4.2 Nb元素的擴(kuò)散與分布79-82
• 4.4.3 燒結(jié)組織中的孔洞及形成機(jī)理82-83
• 4.5 燒結(jié)塊成分均勻性體及密度分析83-87
• 4.5.1 成分均勻性分析83-85
• 4.5.2 燒結(jié)體密度分析85-87
• 4.6 燒結(jié)態(tài)Ti-45Al-10Nb合金力學(xué)性能分析87-89
• 4.7 燒結(jié)態(tài)Ti-45Al-10Nb合金高溫壓縮分析89-93
• 4.8 本章小結(jié)93-94
• 第5章 等溫鍛造Ti-45Al-10Nb合金組織與性能研究94-120
• 5.1 引言94
• 5.2 鍛態(tài)Ti-45Al-10Nb合金顯微組織研究94-100
• 5.2.1 等溫鍛造工藝探索94-95
• 5.2.2 鍛餅顯微組織分析95-100
• 5.3 鍛態(tài)Ti-45Al-10Nb合金組織均勻性研究100-105
• 5.4 鍛態(tài)Ti-45Al-10Nb合金熱處理工藝研究105-110
• 5.5 鍛態(tài)Ti-45Al-10Nb合金力學(xué)性能研究110-118
• 5.5.1 燒結(jié)態(tài)及鍛態(tài)力學(xué)性能對(duì)比110-112
• 5.5.2 鍛態(tài)合金超塑性112-114
• 5.5.3 熱處理后合金拉伸性能114-116
• 5.5.4 斷裂韌性分析116-118
• 5.6 本章小結(jié)118-120
• 第6章 Ti-45Al-10Nb合金高溫抗氧化性研究120-133
• 6.1 引言120
• 6.2 氧化產(chǎn)物及其表面形貌120-126
• 6.2.1 氧化層表面相分析121-122
• 6.2.2 氧化層表面形貌分析122-126
• 6.3 Ti-45Al-10Nb合金高溫氧化動(dòng)力學(xué)126-127
• 6.3.1 氧化動(dòng)力學(xué)曲線126-127
• 6.3.2 氧化動(dòng)力學(xué)方程127
• 6.4 Ti-45Al-10Nb合金氧化層分析127-131
• 6.5 本章小結(jié)131-133
• 結(jié)論133-136
• 參考文獻(xiàn)136-148
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果148-151
• 致謝151-152
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷152

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 彭超群,黃伯云,賀躍輝,王健農(nóng);TiAl基合金的抗氧化性及其改善[J];稀有金屬材料與工程;1999年02期

  本文關(guān)鍵詞：Ti-45Al-10Nb合金的粉末冶金法制備與組織性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號(hào)：339128