Al含量微调对TiAl合金组织及压缩力学性能的影响

研究了Al含量对TiAl合金微观组织及压缩力学性能的影响,并分析其破坏机理。研究发现,Al含量对TiAl合金微观组织影响显著。通过真空自耗电弧冶炼方法制备的Ti-44.1Al(原子分数,%)合金的组织为全层片组织,层片团粗大,呈现柱状晶特征;而Ti-47.3Al合金的组织为双态组织,三维连通的网状γ相将粗大的铸造组织分割成细小的层片团。力学性能研究发现,与Ti-47.3Al合金相比,无论是在准静态还是动态压缩加载条件下,Ti-44.1Al合金都表现出较高的屈服强度,较低的抗压强度以及较差的塑性变形能力。破坏机理分析表明,准静态压缩加载条件下,在Ti-44.1Al合金中,微孔在γ/α_2层片团的α_2相中萌生并聚集形成裂纹;而在Ti-47.3Al合金中,微孔同时在γ/α2层片团中α_2相中以及三维连通的网状γ相中萌生,微孔聚集形成裂纹并扩展;动态压缩加载条件下,在Ti-44.1Al合金中,在γ/α_2层片团中存在大量的α_2相与γ相的相界,由于加载时间短,在相界处易引起位错塞积而导致应力集中,致使微裂纹在相界处迅速萌生并扩展;而在Ti-47.3Al合金中,微裂纹不仅在γ/α_2层片团中α_2相与γ相的相界处萌生,同时也会在三维连通的网状γ相中迅速萌生并扩展,直至材料破坏。     

TiAl合金片层组织的形成与细化工艺及其机理研究

利用金相显微镜、扫描和透射电镜等仪器表征了TiAl合金的片层组织及结构特征,研究了Ti-48Al at%合金片层组织的形成机制和片层组织细化工艺及其机理。结果表明,Ti-48Al合金单级热处理能够得到全片层组织,平均晶粒尺寸约150μm,片层间距约1.30μm。其形成过程是:γ相在α相晶内(0001)面上通过全位错分解成核,通过不全位错滑移、层错区扩展而长大。循环热处理和双温热处理均能将片层晶粒尺寸细化到30μm,片层间距0.90μm,前者的细化机理为相变重结晶细化了α相晶粒,后者细化片层组织的关键在于低温段(α2+γ)两相区热处理形成细小的双态组织。     

Y, Nb对快速凝固TiAl合金组织和性能的影响

研究了元素Y和Nb对用熔体快淬法制备的TiAl基快速凝固合金组织及性能的影响。发现添加Y的快速凝固TiAl合金主要为等轴晶,主要组成相为α2和少量的γ相。随着Y含量的增加,γ相的含量增加,快速凝固TiAl合金的组织逐渐细化。不同Nb含量的快速凝固TiAl合金的组织为块状结构和层片状结构,主要由γ和α2两相组成,层片间距显著细化,为15～17nm。快速凝固TiAl合金的硬度比其铸态合金显著提高。     

锻态Ti-44Al-4Nb-4V-0.3Mo-Y合金等轴及片层组织高温拉伸性能及组织演变

等轴γ晶粒和α2/γ片层是beta-gamma TiAl合金的2种主要变形组织形态。研究了锻态Ti-44Al-4Nb-4V-0.3Mo-Y合金等轴组织及片层组织的高温拉伸性能及组织演变。结果表明:拉伸温度对Ti-44Al-4Nb-4V-0.3Mo-Y合金的力学性能和显微组织有显著的影响。在相同温度下,Ti-44Al-4Nb-4V-0.3Mo-Y合金等轴组织的抗拉强度和屈服强度略高于片层组织,而延伸率相差不大。随拉伸温度的升高,合金的抗拉强度和屈服强度逐渐减小,而延伸率迅速增大。对于等轴组织,提高温度,等轴γ晶粒被拉长,发生完全的动态再结晶,从而细化合金的显微组织。对于片层组织,α2/γ片层的分解和γ板条的再结晶程度随拉伸温度的升高而增大。Ti-44Al-4Nb-4V-0.3Mo-Y合金的韧脆转变温度在750～800℃之间。     

冷却速率对Ti-48Al-2Cr-2Nb合金组织及性能的影响

TiAl基合金铸造成形过程多采用陶瓷型、金属型,少量涉及石墨型,文中对比石墨型、金属型和陶瓷型成形Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的凝固组织及力学性能,研究冷却速率对凝固组织及力学性能的影响规律。研究结果表明:采用冷却能力较强的石墨型成形Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的组织层片间距最小,金属型的次之,而采用陶瓷型成形的组织层片间距最大。通过对Ti-48Al-2Cr-2Nb合金宏观组织特征的分析,总结一种评价铸型冷却能力的方法。通过对显微组织层片间距的定量统计分析,测量出三种铸型条件下,石墨型和金属型的试样层片间距相近,无明显差别,而陶瓷型的试样层片间距明显高于其他两种。铸型的蓄热系数和热导率是影响Ti Al合金组织和力学性能的主要因素。     

冷却速度对快速凝固Ti-48Al-4Cr合金组织转变规律及力学性能研究

采用单辊旋淬快速凝固设备制备了不同辊速条件下的Ti-48Al-4Cr(at.%)薄带,研究冷却速度对快速凝固Ti-48Al-4Cr合金的组织及力学性能变化规律。结果表明,快速凝固Ti-48Al-4Cr合金凝固在辊速为10m/s和20m/s时,基体为等轴的γ相,基体中含有少量的B2相、α₂相颗粒和片层组织;辊速进一步增加至30m/s时,基体转变为α₂相,片层组织消失。快速凝固Ti-48Al-4Cr纳米硬度随着冷却速度的增加而增加,纳米硬度由常规凝固时的5.04±0.09GPa增加至辊速为30m/s时的10.48±0.13GPa。该结果为研究TiAl合金组织转变,减小TiAl合金偏析,提高其力学性能提供了基础。     

TiAl合金的热加工、组织和性能

采用水冷铜坩埚感应熔炼技术制备了高质量的Ti-43Al-9V-0．3Y合金铸锭,该合金铸态组织为近层片组织结构,层片团簇的体积分数为85％左右,大小约为80μm,块状卢和γ相位于层片团簇边界。层片结构中除了γ和α2相外,还存在少量的口相析出物。Ti-43Al-9V-0．3Y合金具有良好的热加工性能,通过包套锻造和包套轧制技术,成功制备了大尺寸TiAl合金锻饼和国内最大尺寸TiAl合金板材,其尺寸分别为犯60mm×24mm和500mm×300mm。经热变形后,Ti-43Al-9V-0．3Y合金的显微组织明显细化,力学性能得到了显著提高。     

Ti-43Al-4Nb-1.5Mo合金包套锻造与热处理过程的微观组织及高温拉伸性能

对Ti-43Al-4Nb-1.5Mo合金进行包套锻造和后续热处理实验,考察了该过程TiAl合金的热变形行为、流变软化机制以及热处理参数对微观组织和力学性能的影响。结果表明,TiAl合金包套锻造过程的高温流变软化以β相协调变形、片层相变分解、g相内位错滑移以及孪晶诱导的动态再结晶为主,最终组织为残余α_2/γ层片和等轴α_2、γ、B2相的混合组织。随热处理温度的升高,热变形组织由残余α_2/γ层片和多相混合组织转变为α_2/γ层片+γ相组织,在较高的温度下(1300℃)转变为全层片组织。其中,B2相随着溶质扩散程度的增加逐渐消失,残余层片组织发生分解转变为等轴α_2/γ层片团,同时发生γ→α转变,形成全层片组织。对热等静压、锻态和热处理试样的高温(800℃)拉伸性能进行比较,经热处理后获得的全片层组织具有最佳的综合性能,抗拉强度为663 MPa,延伸率达到26%。分析该样品的断裂行为可知,由于存在层片扭曲拉长、微孔钝化以及裂纹曲折延伸的断裂机制,全层片组织具有良好强度-塑性的综合力学性能。另外,热加工过程中(高温)bcc结构B2相能够协调变形,但服役条件下硬脆的B2相作为裂纹源容易引起裂纹萌生,对力学性能极其不利。因此,TiAl合金在热变形和服役过程中需要对组成相进行严格控制,从而获得良好的力学性能。     

热暴露对Ti-44Al-4Nb-4Zr-0.2Si-1B合金显微结构及力学性能的影响

采用扫描电镜、透射电镜以及拉伸和高周疲劳等试验手段研究10 000 h、700℃大气热暴露过程对Ti-44Al-4Nb-4Zr-0.2Si- 1B合金显微结构和力学性能的影响.结果表明:复合含Nb-Zr的TiAl合金的α2+γ层片组织显示出较高的热力学稳定性,合金的α2+γ层片晶团在热暴露过程中,α2→γ和α2+γ→B...     

Mo含量对含β相TiAl合金组织和力学性能的影响（英文）

采用非自耗真空电弧熔炼Ti-45Al-5Nb-xMo-0.3Y(x=0.6,0.8,1.0,1.2)合金试样,研究Mo含量变化对含β相TiAl合金显微组织和力学性能的影响规律。研究表明,Mo元素的偏聚使β相呈不连续网状分布于γ/α_2片层团边界。当Mo含量超过0.8%时,β相在枝晶间微偏析区易形成γ相。在T_α转变温度以上进行均匀化热处理可使β和γ相得到有效消除。对初始铸态和均匀化热处理态TiAl合金的组织性能进行对比分析发现,添加过量的Mo元素容易引起微偏聚,从而降低材料的强度和显微硬度,而均匀化热处理可使得其力学性能得到明显改善。     

脉冲电流作用下TiAl合金凝固组织演变及形成机理

利用OM和TEM研究了脉冲电流作用下Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的凝固组织,并分析了其微观组织演变及形成机理。结果表明,脉冲电流细化了TiAl合金的一次枝晶臂间距、柱状晶尺寸和片层间距。未加载电流的TiAl合金凝固的初生相为α相,TiAl合金的片层取向与柱状晶生长方向夹角较大,甚至垂直于生长方向。脉冲电流作用导致枝晶发生熔断和破碎,促进了β枝晶相的析出及增多,片层取向与晶体生长方向夹角较小或成45°生长的片层进一步增多。脉冲电流降低了固-液相之间的自由能及原子扩散激活能,减少形核位垒及晶核的形核功,从而在一定程度上促进原子扩散,增大了形核率,细化一次枝晶臂间距及柱状晶;初生相的转变析出及其特殊的位向关系是片层取向变化的主要原因。     

真空烧结温度对Ti-44Al-2Cr-4Nb-0.2W-0.2B合金显微组织及力学性能的影响

为获得细晶TiAl合金及有效减少传统铸造带来的内部缺陷,采用真空热压烧结工艺制备了Ti-44Al-2Cr-4Nb-0.2W-0.2B合金,研究了烧结温度对TiAl合金微观组织及力学性能的影响。结果表明:Ti、Al元素粉末反应合成后,经XRD检测,3种烧结温度(1150、1240、1300℃)烧结后的合金主要由γ-TiAl和α_2-Ti_3Al_2种基体相组成,随着烧结温度的增加,γ相含量增加,α_2相则减少;结合SEM观察发现,改变烧结温度可获得TiAl合金不同典型组织,其中1150℃烧结合金为近γ组织、1240℃烧结为双态组织、1300℃烧结为近片层组织,烧结温度的升高使得合金组织愈发均匀;配合EDS分析,烧结温度的升高有助于Nb元素在基体相中的扩散,同时合金密度随烧结温度的升高逐步增大,当烧结温度升至1300℃,合金的密度达到4.419g/cm~3;通过力学性能检测,在1240℃烧结制备的TiAl合金组织为细小的双态组织,显示出较好的综合力学性能,其显微硬度为5270 MPa,在高温压缩时展示出良好的抗压强度。     

交叉包套轧制Ti-44Al-5Nb-1Mo-2V-0.2B合金的微观组织演化及力学性能

TiAl合金因其低密度、优异的高温强度、抗蠕变和抗氧化性能而在航空航天和汽车工业中具有广阔的应用前景,但其本质脆性和变形能力差的缺点严重限制其进一步发展。本工作通过交叉包套轧制(CHPR)和一步退火处理实现了800℃下超高塑性Ti-44Al-5Nb-1Mo-2V-0.2B合金板材的制备。利用SEM、EBSD、TEM和拉伸等实验方法考察了TiAl合金的热变形行为、不同轧制和热处理工艺对微观组织和力学性能的影响。结果表明,与单向包套轧制(UHPR)相比,CHPR板材沿厚度方向和板面方向均表现出更高的组织均匀性,微观组织由残余α₂/γ片层及其晶界的等轴γ、α₂和B2相组成,但残余片层的尺寸较小且含量明显降低,其原因是在CHPR的双向剪切力和压应力的作用下大量残余片层破碎并发生了完全再结晶。CHPR TiAl合金的高温流变软化机制主要包括片层弯曲扭折变形、β/B2相协调变形、α₂/γ片层的相变分解、初生和二次孪晶诱导的γ相动态再结晶。随后对CHPR合金进行1200～1340℃的退火热处理,1200℃条件下获得了等轴片层和等轴晶粒...     

C元素含量对TiAl合金显微组织与力学性能的影响

通过XRD、SEM观察不同C含量下TiAl合金铸锭的显微组织,并对其进行硬度、抗拉强度测试。研究了C元素含量对TiAl合金显微组织与性能的影响。研究表明:未添加C元素时,TiAl合金晶粒为粗大柱状晶。当C含量为0.3at%时,柱状晶转变为等轴晶。随着C含量的增加,TiAl合金晶粒逐步细化,且层片间距逐渐减小,但并未改变γ相与α2相相间交替层片结构。C含量较少(≤0.3at%)时基体中不会出现第二相;C含量进一步增加,第二相析出明显且不断长大,富集在一起,偏析严重。TiAl合金的力学性能随着C含量增加先增强后减弱,当C含量为0.6at%时,TiAl合金的性能最佳。     

C含量对铸造TiAl合金组织和力学性能的影响

在Ti-47.5Al-3.7(Cr,V,Zr)合金中添加0.05%~0.2%C(原子分数,下同),采用冷坩埚悬浮熔炼方法制备出了层片组织TiAl合金铸棒,通过组织观察、室温拉伸和蠕变性能测试研究了C含量对TiAl合金组织和力学性能的影响。结果表明,添加0.05%~0.2%C后,合金仍可获得择优取向层片组织。随C含量增加α2层片体积分数略有增加,层片间距呈细化趋势。当C含量超过0.1%时,在α2和γ层片内和层片界面上有细小的Ti2AlC型碳化物析出,碳化物析出相的尺寸和数量随C含量增加有所增加。添加0.05%~0.2%C后提高了合金室温的抗拉强度和屈服强度,且随C含量增加提升幅度逐渐增大,当C含量为0.2%时,分别将抗拉强度和屈服强度提升了101和123 MPa。添加C元素后显著改善了合金的蠕变性能,当C含量为0.1%时蠕变性能最佳,与不含C的合金相比,其塑性蠕变应变降低了一半、相同应变时的蠕变速率降低了1个数量级以上。添加0.1%C提升合金蠕变抗力的机制主要是通过抑制合金在蠕变初期的位错萌生和增殖过程;在γ层片中形成割阶和位错碎片阻碍位错继续运动,使得合金在蠕变第一阶段的应变硬化程度迅速增加;此外,析出的Ti2AlC型碳化物进一步强化层片界面和基体,与层片间距细化共同提高了穿层片滑移位错的运动阻力。     

热暴露对Ti-44Al-4Nb-4Hf-1B合金显微结构和力学性能的影响

对合金Ti-44Al-4Nb-4Hf-1B在700℃大气气氛中开展了长达10 000 h的热暴露处理,系统地探索和分析含Nb-Hf的TiAl合金的高温热稳定性,采用透射电镜和扫描电镜观察合金的显微组织变化并测试相应的力学性能.研究发现:长期大气高温热暴露导致合金中α2+γ层片晶团内的a2层片发生了一定程度的α2→γ相变:部分α2层片转变成为细小的γ层片,到10 000 h时,α2层片的原始厚度减少了约一半.长期大气高温热暴露也导致合金中α2+γ层片条束上发生了α2+γ→B2(ω)相变:条束上部分α2+γ消失,代之以微米及亚微米尺度的B2(ω)块状相.在10 000 h时,其面积分数达到8.4％,随着高温热暴露的逐渐进行,合金的室温塑性伸长率逐渐降低.在10 000h时,合金的塑性约为热暴露前的2/3,表明在复合含Nb+Hf的TiAl合金中,热暴露所导致的“释氧脆化”和“B2+ω生成脆化”的影响有限.复合含Nb+Hf的TiAl合金具有优于单纯含Nb的TiAl合金的高温热稳定性.长期高温热暴露对合金的断裂强度和条件屈服强度没有明显的有害影响.在10 000 h时,其条件屈服强度总体上仍保持在600MPa级别,而合金的室温疲劳极限还有所提高.     

BaZrO3复合型壳定向凝固Ti-46Al-8Nb合金的微观组织研究

采用BaZrO_3复合型壳定向凝固Ti-46Al-8Nb合金。通过扫描显微镜、金相显微镜和XRD等手段分析了BaZrO_3耐火材料与金属熔体之间的界面情况、熔体通过螺旋选晶器后的晶粒数目和片层变化、晶臂与枝晶干的夹角以及凝固后Ti-46Al-8Nb合金的组织形貌。结果表明,BaZrO_3复合型壳与Ti-46Al-8Nb合金之间存在约为10μm的扩散层;在抽拉速度7.7 mm/min、温度1 550℃条件下,Ti-46Al-8Nb合金的初生相为α相以及β相,经过定向凝固后的微观组织为γ＋α_2片层、γ相以及B2相;在定向凝固过程中,螺旋选晶可以明显使晶粒数目减少,但是对片层间距的大小无影响。     

TiAl合金全片层组织的热稳定性研究

研究了Al含量、冷却速率和添加硼元素对TiAl合金全片层组织在1150℃的热稳定性的影响。研究表明：Al含量在46％～48％（原子分数,下同）范围的二元TiAl合金的Al含量越高,γ偏析程度越严重,铸造片层组织的热稳定性越差;Ti-48AI合金α单相区固溶处理后炉冷的粗片层组织的稳定性远远优于空冷的细片层组织,空冷细片层组织容易在晶界处发生不连续粗化转变,并且空冷片层晶粒内的魏氏片层（LW）与基体的界面往往与晶界一同成为片层组织发生分解的起始部位;Ti-48A1合金中添加0．8％B因晶界TiB2相的存在能有效抑制细片层组织的晶界不连续粗化,但γ相从TiB2／基体界面和晶界重新形核生长可使片层组织转变为均匀的细晶近γ组织。     

金属间化合物TiAl(W,Si,B)合金的组织稳定性及其蠕变性能

Ti-45Al-2W-0.5Si-0.5B(ABB-23)铸造合金在800和900℃长期时效过程中发生组织失稳，包括α2板条断裂和合并，α2相转变为B2相，针状B2相球化和长大，γ等轴晶的生成以及片层间距的增加。ABB－23合金的热稳定性优于无B的ABB－2合金，表明添加B有利于提高合金的热稳定性。ABB－23合金在700－800℃范围内的抗蠕变能力超过同比密度的抗热腐蚀高温合金IN738LC，具有优异的高温蠕变性能。此外，还对比了ABB－23合金与其他几种TiAl基合金的高温蠕变性能。     

退火对激光熔化沉积制备γ-TiAl合金显微组织和力学性能的影响（英文）

研究激光熔化沉积制备γ-TiAl合金沉积态和不同温度退火态样品的显微组织演变和力学性能。结果表明,沉积态试样的显微组织由细小α₂(Ti₃Al)+γ片层构成。随着退火温度的升高,块状γ_m(TiAl)相逐渐由单-γ相→γ相+针状α₂相→γ相+片层状α₂+γ方向转变。与沉积态γ-TiAl合金的力学性能(抗拉强度469 MPa、伸长率1.1%)相比,经1260℃、30 min、FC退火处理后,试样的室温抗拉强度为543.4 MPa,伸长率为3.7%,其力学性能得到显著提高。