Hot deformation behavior and microstructural evolution of as-forged Ti-44Al-8Nb-(W,B, Y) alloy with nearly lamellar microstructure

The hot deformation behavior and microstructural evolution of as-forged Ti-44Al-8Nb-(W, B, Y) alloy with nearly lamellar structure were investigated by means of uniaxial hot compression. Its stress exponent and activation energy are 3.81 and 494 KJ/mol, respectively. The efficiencies of power dissipation and instability parameters are evaluated, and processing maps at strains of 0.12, 0.25, and 0.5 are developed. It is demonstrated that the microstructural evolution is dependent on the temperature and strain rate. Moreover, the recovery and recrystallization of γ phases as well as the spheroidization of α phases play important roles in refining the microstructure. Reasonable parameters for secondary hot working are above 1150 °C with a strain rate of less than 0.25 s⁻¹ at a strain of 0.5. Additionally, the hot working window can be expanded to the region with lower temperature and higher strain rate at a strain of 0.12. Finally, crack-free TiAl sheets were successfully prepared by hot pack rolling. The as-rolled alloy is characterized by duplex microstructure with a mean grain size of 10 μm, exhibiting a failure strength of 1021 MPa with 0.78% ductility at room temperature. At 800 °C, the failure strength remains high: above 650 MPa.     

高Nb-TiAl热变形过程中的晶界特征和显微组织演化

本文研究了Ti-45Al-8.5Nb-(W,B,Y)合金热变形过程中的晶界特征和显微组织演化规律。采用等离子冷床炉熔炼制备的Ti-45Al-8.5Nb-(W,B,Y)合金具有典型的近片层组织并在晶界有高温β/B2相残留,富Nb、W、Ti等、贫Al的晶界β/B2相主要是熔炼过程中因冷速较快、β稳定元素的低扩散系数以及合金中各元素的分配系数差异导致β → α相变不能完全进行。合金中的 B 和Y等微量元素分别以硼化物和Y2O3的形式存在。晶界β/B2相的形态、尺寸、成分和稳定性等受后续热变形影响显著,高温和应力作用会使β相发生破碎细化并促进合金中的元素扩散会引起晶界β/B2相的成分变化。当合金在 (α + γ) 两相区进行热压缩变形时,会有部分β相向α相转变（β/B2 → α2）,主要通过β相中二次α的析出和β相被相邻α相的蚕食等方式进行,热压缩变形会促进β/B2相向更为密排结构的α2相转变。     

添加微量硼对TiAl合金持久性能的影响

研究了Ti-47.5A1-2Cr-2Nb合金中添加微量硼对合金760℃,275 MPa持久性能的影响.结果表明:在同样的热处理制度下,添加0.2%(摩尔分数)硼能显著提高合金的持久寿命;尤其对于全片组织,其持久寿命由150.0 h提高到460.5 h,这主要归因于,添加微量元素硼抑制了连续冷却转变过程中魏氏片层束和羽毛状片层束在片层晶粒内的形成,从而提高了全片层组织的热稳定性.     

Primary creep deformation behaviors related with lamellar interface in TiAl alloy

Constant tensile stress creep tests under the condition of 760~816°C/172~276 MPa in an air environment are conducted, and the microstructural evolution during primary creep deformation at the creep condition of 816°C/172 MPa was observed by transmission electron microscopy (TEM) for the lamellar structured Ti-45. 5Al-2Cr-2.6Nb-0.17W-0.lB-0.2C-0.15Si (at.%) alloy. The amount of creep strain deformed during primary creep stage is considered to be the summation of the strains occurred by gliding of initial dislocations and of newly generated dislocations. Creep rate controlling process within the primary stage seems to be shifting from the initial dislocation climb controlled to the generation of the new dislocations by the phase transformation of 2 to as creep strain increases.     

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。     

γ-TiAl片层界面在裂纹形核中的双重作用

通过全片层γ－ＴｉＡｌ基合金ＳＥＭ原位拉伸实验以及对裂纹前方滑移面及解理面上的应用力进行有限元计算,研究了片层界面在形核中的作用,当原裂纹与片层平行时,裂纹尖端滑移秕的分切应力较小,滑移相对困难,片层面上的正应力比其它解理面上的正应力大,从而解理裂纹优先沿片层界面形核;当裂纹与片层界面垂直时,裂纹尖端很多滑移系上的分切应力较大,滑移相对容易,片层面上的正应力远比其它解理面上的正应力小,从而裂纹优等     

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。     

马氏体TiAl合金的热变形行为

为研究马氏体TiAl合金的热变形行为,对Ti-42.1Al-8.3V合金进行1320 ℃油淬,得到马氏体,然后利用Gleeble-1500D热模拟试验机研究了马氏体在变形温度为1000~1150 ℃、应变速率为0.001~1 s^-1下的热变形行为。利用背散射电子成像(BSE)和背散射衍射(EBSD)研究了热变形参数对TiAl合金显微组织的影响,通过分析真应力-真应变曲线,结合双曲正弦方程建立了本构方程。结果表明,马氏体TiAl合金的流变应力曲线符合动态再结晶特征,峰值应力随着变形温度的降低和应变速率的增大而增大;通过计算得到n为2.175,变形激活能Q为595.79 kJ/mol,并构建了马氏体TiAl合金的本构方程;在热变形后,TiAl合金中近等边三角形排布的马氏体转变成α₂/γ片层结构。随着变形温度的升高和应变速率的减小,α₂/γ片层逐步被再结晶晶粒替代,最后在变形温度为1100 ℃、应变速率为0.001 s^-1条件下全部转化为等轴晶。另外,随着应变速率的降低和变形温度的升高,晶粒充分长大,逐渐粗化。     

Effect of lamellar plates on creep resistance in near gamma TiAl alloys

Effect of interlamellar spacings on creep rate in Ti-48 at% Al alloy with fully transformed lamellar structure (FL) has been investigated at 1123 K/98 MPa. In addition, the correlation between creep rate and lamellar orientation to stress axis was elucidated by conducting creep tests at 1148 K/68.6 MPa for three single crystal (SC) specimens of Ti-48 at% Al with different lamellar orientations to stress axis. The difference in creep rate among FL specimens having different interlamellar spacings could not be defined in the early stage of transient creep. The onset of accelerating creep was slightly retarded by decreasing the inter-lamellar spacing. While the creep rate of the SC specimen whose lamellar orientation to stress axis 30–63 ° gradually decreases with increasing strain, and is larger than that of the FL specimen, the creep rate of the SC specimen with lamellar orientation nearly parallel to stress axis drastically decreases within small strain, and is 1/50 smaller than that of the FL specimen. This strong lamellar orientation dependence of creep rate is interpreted by the correlation between dislocation slip system and the lamellar plate.     

全层状TiAl合金层片生长及其影响因素

利用光学显微镜(OM)和TEM，研究了全层状TiAl合金的层片间距的影响因素及与各因素的关系。实验结果表明，全层状TiAl合金的层片间距与冷却速度和合金中铝含量有关，层片间距与冷却速度呈反比关系，并随着合金中铝含量的增加而增加。同时，以层片生长的台阶机制为基础，推导出了全层状TiAl合金在连续冷却过程中层片间距的数学表达式，推导结果与实验结果相符。     

常规铸造定向层片TiAl合金持久加载中的组织退化及改善途径

基于TiAl合金常规铸造定向层片组织与多孪晶合成晶体(polysynthetically twinned crystals,PST)的组织差别,详细讨论这些组织差别对常规铸造定向层片组织TiAl合金持久加载过程中组织退化的影响,并探讨降低这些不利影响的微合金化途径。结果表明:定向层片组织与PST晶体的差别主要包括存在层片团界和小角度取向差、Al元素成分偏析以及α_2相体积分数高于热力学平衡状态,同时,后续热等静压导致等轴γ晶粒析出和层片间距增加也是另外的明显差别。这些组织差别对定向层片组织持久加载过程中的组织退化造成不同程度的加剧作用。其中,Al元素成分偏析和α_2相体积分数过高促进了定向层片组织铸态试样的组织退化,热等静压试样中析出的等轴γ晶粒进一步加剧了其组织退化,这些均对定向层片组织持久寿命造成不利影响。而层片团界对组织退化的影响程度较小。此外,探讨了采用Zr、C、Si微合金化抑制持久加载过程中组织退化进而改善持久性能的可行性。     

Effect of hydrogen on mold filling behavior of TiAl alloy

Since TiAl alloy requires superior mold filling capability, this study used hydrogen to improve its mold filling capability by introducing the hydrogen into the molten alloy. The mold filling was evaluated by pouring the molten alloys containing various levels of hydrogen into a thin perforated sheet graphite mold. The volume percentage filling the mold was increased with increasing hydrogen addition. And the increasing tendency became very slight after the hydrogen reached 15 kPa. In addition, the pore formation of the alloy was also examined by X-ray radiographs.     

TiAl基合金包套锻造工艺

采用热模拟手段 ,研究了高径比为 2的TiAl基合金铸坯的包套锻造工艺。主要分析了包套厚度对变形组织的影响。结果表明 ,在较小的包套厚度时锻坯易发生大的局部剪切 ,造成变形不均匀 ;随着包套厚度增加 ,大的剪切变形消失 ,整个锻坯的变形组织均匀性得到了明显改善。     

全片层高Nb含量TiAl合金长期热循环后的显微组织不稳定性

对全片层Ti-45Al-8.5Nb-（W,B,Y）合金在900℃下进行长期热循环（500次和1000次）实验,采用扫描电镜（SEM）及透射电镜（TEM）研究该合金长期热循环后的显微组织不稳定性。结果表明：合金经热循环后主要产生两种类型的组织不稳定性：1）长期热循环特别是1000次热循环后,在Al偏析处易产生因晶界迁移引起的不连续粗化,随着循环次数的增加,元素扩散致使Al偏析逐渐减少;2）1000次热循环后,α2片层变细且发生断裂,这是由α2→γ相变导致的α2片层溶解所致。同时,γ晶粒在α2片层或（α2＋γ）片层内部以任意方向形核。     

Morphology of discontinuous coarsening in fully lamellar TiAl

1　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＴｈｅｆｕｌｌｙｌａｍｅｌｌａｒＴｉＡｌｂａｓｅｄａｌｌｏｙｈａｓｂｅｅｎｋｎｏｗｎｔｏｂｅｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｐｒｏｍｉｓｉｎｇｃａｎｄｉｄａｔｅｓｆｏｒｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｆｏｒｉｔｓｈｉｇｈｆｒａｃｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓａｎｄｃｒｅｅｐｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ[1].Ｉｔｓｈｏｗｓｌｉｍｉｔｅｄｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｕｃｔｉｌｉｔｙ ,ｂｕｔｓｏｍｅｉｍ ｐｒｏｖｅｄｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｕｃ…     

热锻开坯对高铌TiAl合金微观组织的影响

采用热等静压技术处理了高铌TiAl合金铸锭,对直径为115 mm的高铌TiAl合金铸锭在1150～1300℃进行了热锻开坯.结果表明:热等静压处理后的高铌TiAl合金由大量粗大的α2/γ片层晶粒和少量的γ等轴晶、B2相等组成,晶粒度约为80～150μm;通过变形量为75%的2次锻造成形后锻饼表面和内部质量较为完好,没有出现裂纹和太多的氧化现象;铸态粗大片层组织在变形后基本破碎,晶粒得到明显细化.     

Microstructure evolution in a large—grained TiAl alloy

1　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＡｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｒｅｃｏｖｅｒｙａｎｄｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ[1,2 ] ｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｂｙＬｉｎａｎｄｃｏｗｏｒｋｅｒｓｆｏｒｔｈｅｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃｉｔｙｉｎｌａｒｇｅ ｇｒａｉｎｅ     

片层厚度对双相TiAl合金力学性能影响的纳米压痕分子动力学研究

为研究纳米压痕过程中片层厚度和γ/α2相界对双相TiAl合金变形行为及力学性能的影响,本文针对5种不同厚度的双相TiAl合金模型,采用分子动力学的方法模拟计算了金刚石压头以垂直于γ/α2相界方向分别压入γ和α2相的纳米压痕过程。结果表明：材料的硬度随片层厚度的减小而增大,当片层厚度减小至7nm时,材料的硬度达到最大值,进一步减小片层厚度时,材料的硬度反而减小。材料的弹性模量也会随片层厚度的变化而改变,与硬度呈现正比关系。此外,在纳米压痕过程中,压头压入γ相时,变形行为以{111}面的层错为主,γ/α2相界会阻碍位错的运动;压头压入α2相时,变形行为以(0001)基面的堆垛层错为主,基面上Shockley不全位错的运动会导致材料表面产生相变,且棱柱面滑移被激活。     

TiAl基合金真空钎焊接头组织性能分析

采用Ti37.5-Ni37.5-V25钎料作为中间层对TiAl基合金(Ti-42.5Al-9V-0.3Y)进-真空钎焊,研究在不同钎焊温度下接头组织性能的变化情况;结果表明,真空钎焊后接头的厚度由原来钎料的200μm增加到400 μm,说明接头发生强烈的化学反应,同时随着钎焊温度的增加,接头的界面形态和剪切强度有很大的变化,钎焊温度低于1 220℃时,界面反应不完全,焊缝中心残留未完全融化的钎料,温度高于1 220℃时,界面反应完全,焊接接头由钎缝中心区、致密网状区和不连续析出区三个区域组成;在1 220℃、10 min条件下得到良好的接头,剪切强度达到196 MPa.     

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。