γ-TiAl基合金的高温氧化行为研究

研究了γ-TiAl基合金Ti-44Al-4Ta-1W-0.1C在815~925℃内的氧化行为。合金氧化增重试验、XRD和SEM分析结果表明,Ti-44Al-4Ta-1W-0.1C合金在815~925℃内氧化0~200h,由Wagner的氧化经验公式计算得氧化指数n在2~3.8,氧化激活能为213kJ/mol,氧化符合抛物线规律。试样表面形成的氧化层随氧化温度的升高及时间的延长,其厚度不断增加,与氧化动力学规律相一致。该合金经长时间氧化后,该氧化产物由Al2O3、AlTaO4和TiO2组成。     

全片层γ-TiAl合金显微组织对断裂行为的影响

通过SEM原位拉伸研究了全片层Ti-46．5Al-2．0Cr-1．5Nb-1.0V合金的显微组织与断裂行为的关系。通过热处理手段获得可区分晶粒尺度和片层厚度的全片层组织。研究表明，随着晶粒尺度的增大，裂纹扩展路径由平直变得曲折，断裂方式由沿片层界面和沿晶断裂变为穿片层断裂。随着片层厚度的减小，韧带的刚性增强，塑性变形减小，增韧效果得到改善。在全片层组织中，微裂纹在α2/γ片层界面形核。     

γ-TiAl基金属间化合物机床铣削中的切削力预测

针对γ-TiAl基合金因室温脆性导致其加工较为困难的问题,提出一种采用正交斜变换技术对γ-TiAl基金属间化合物Ti-48Al-2Cr-2Nb铣削加工切削力进行预测的方法。利用正交车削试验测量切屑厚度、切削力和进给力等,计算出剪切应力、剪切角和摩擦角等基本切削参数。采用正交斜变换技术确定铣削加工的切削系数,并利用端面铣削的切削力解析模型对切削力进行仿真。此外,研究了涂层对摩擦因数、剪切应力、剪切角和切削力的影响。在不同的切削条件下,分别通过端面铣削和球头铣削试验对切削力预测结果进行了验证。结果表明：切削力的预测值与实测值吻合较好,验证了力学模型的有效性;对于AlCrN和AlTiN涂层,端面铣削的切削力估计误差分别在20%和13%内;对于AlCrN涂层,球头铣削的切削力估计误差在15%内。     

γ-TiAl合金的空蚀行为

利用超声振动空蚀试验设备研究了具有单相γ-TiAl组织的Ti-50Al合金的空蚀行为，借助于SEM分析了其空蚀表面，并用洛氏硬度仪模拟空蚀过程中微射流所产生的局部载荷对Ti-50Al合金的作用，测量了其在加载过程中的变形能。结果表明：Ti-50Al合金具有优异的抗空蚀性能，空蚀26h后的累积体积损失量仅为0．926mm^3。该合金优异的抗空蚀性能归因于其在局部载荷作用下有较高的变形能和加工硬化能力。Ti-50Al合金的空蚀是由于晶界阻碍变形,造成应力集中，使裂纹沿晶界形成，导致材料沿晶剥落。     

γ-TiAl基合金机械性能的研究进展

对国内外基于力学模型的γ-TiAl合金的弹性和塑性性能与其微结构的关系的研究进展进行了详细的论述。同时,概述了作者运用细观力学的方法对TiAl合金的弹性和塑性性能的主要研究工作,指出了γ-TiAl合金的研究和发展方向。     

近片层γ-TiAl基合金宏观塑性行为的尺度效应

将近片层-γTiAl基合金视为由等轴γ颗粒和多孪晶PST(polysynthetically twinned crystal)单晶颗粒组成的两相复合材料。基于非均质微极介质塑性理论,构建-γTiAl基合金整体有效微极柔度张量,将传统塑性割线模量法推广到微极材料,建立分析和预测-γTiAl基合金的塑性行为尺度效应的细观力学模型。结果表明:-γTiAl基合金的微结构尺度对其宏观塑性硬化行为存在显著的影响;近片层组织-γTiAl基合金中PST晶体颗粒的尺寸越小,合金中硬相夹杂PST颗粒的体积分数越大,合金材料相应的塑性硬化越明显;微极基体的塑性特征尺度与等轴γ晶粒的平均尺寸大小在同一数量级。     

孔洞式缺陷对γ-TiAl合金断裂行为的影响

采用分子动力学模拟方法研究了孔洞在不同温度、位置以及尺寸下对多晶γ-TiAl合金裂纹扩展的影响。结果表明,含孔洞式缺陷多晶γ-TiAl合金在1～750 K时为脆性解理断裂,1000 K和1200 K为韧性蠕变断裂。孔洞位于晶界和三叉晶界上时,合金更容易失效。与完美晶体相比,微孔洞的存在增加了多晶γ-TiAl合金的塑性。当孔洞半径大于1.0 nm时,多晶γ-TiAl合金的屈服应力和屈服应变急剧降低,材料发生失效的时间提前。孔洞尺寸的不同会影响材料的断裂方式,当孔洞半径R≤0.8 nm时,含孔洞多晶发生沿晶断裂;当R>0.8 nm时,多晶γ-TiAl合金的孔洞不断扩大逐步占满整个晶粒,发生穿晶断裂。     

连铸γ-TiAl化合物的结构和力学性能

γ -TiAl合金的低密度、高弹性模量、良好的高温强度和耐磨性 ,其使用温度超过Ni基和Fe基合金达到 10 73K ,使之成为最富活力的先进高温结构材料。但是 ,γ -TiAl合金成形性差 ,加工成本高 ,因而掌握其加工 /结构 /力学性能之间的关系 ,找出更经济有效的加工技术是过去 10年的研究重点。美国学者介绍一种技术 :熔融溢流快速固化技术 (MORST)制备γ -TiAl带材。使用一种“等离子熔化溢流炉” ,炉中铜坩埚与冷铸轮同轴旋转 ,故可将等离子氩弧熔化于坩埚中的金属液体同时溢流到冷凝钼辊表面 ,熔铸过程用氩气保护。使用 2种冷凝辊 ,一种表…     

γ-TiAl基合金与异种合金扩散连接研究

主要对采用扩散连接（DB）或超塑扩散连接（SPF／DB）的方法，实现TiAl合金与异种合金（Ti-6Al-4V、40Cr钢和Ni基合金）固态连接的研究进行评述，探讨了连接工艺对连接界面显微组织及其连接件性能的影响。研究结果表明，扩散连接（或超塑扩散连接）能实现TiAl合金与异种合金高质量的连接。而扩散连接过程中，在扩散层产生的脆性相是导致焊件断裂发生在界面处的主要原因。采用中间层可有效避免脆性相的生成，而采用激光表面快凝处理，在拟连接表面获得细晶组织，可在较低温度下实现TiAl合金与异种合金的超塑扩散连接。     

热挤压γ-TiAl基合金的组织演变

研究γ-TiAl基合金在温度低于α相转变温度(tα-10)时挤压过程中的组织演变.结果表明:在初始变形阶段,片层发生扭折,随着应变量和应变速率的增大,扭折处发生动态再结晶,形成细小的晶粒;而残余片层随着应变量的增大,其垂直流线方向横断面的尺寸逐渐减小,体积分数也逐渐减少,但其沿流线方向尺寸没有明显减小,残余片层界面方向随着受力状态的变化而变化,其法向平行于主应力方向;经过挤压加工的试样,其边缘片层接近完全破碎,而中心残余片层尺寸较大;挤压坯料与模具的摩擦作用与热传导严重影响了全片层晶粒的破碎细化,温度场以及变形的不均匀是造成材料不同部位微观组织差异的重要因素.     

γ-TiAl基合金超塑扩散连接实验与理论的研究

介绍了超塑扩散连接在γ—TiAl合金中的应用，总结并评述了近年来γ—TiAl基合金超塑扩散连接的最新实验与理论研究结果，认为超塑扩散连接对于γ—TiAl基合金是一种极具应用潜力的连接方法。经激光表面处理后，可降低γ-TiAl基合金超塑扩散连接的温度和时间。改进的超塑扩散连接的理论计算，可用于γ-TiM基合金超塑扩散连接工艺参数的优化。     

γ-TiAl基合金弹性和塑性尺度效应所对应内在特征尺寸的关系

将近片层γ-TiAl基合金视为以等轴γ颗粒为夹杂、多孪晶PST单晶组分为微极基体的复合材料,运用微极理论研究与其等效弹性性能尺度效应对应的材料特征尺度lm和塑性流动行为尺度效应对应的材料特征尺度lp之间的关联。结果表明:相对于硬相的PST组分基体,软相等轴γ颗粒夹杂直径d与微极基体的材料内在的弹性特征尺度lm和塑性特征尺度lp相当时,夹杂尺寸将对合金材料的等效弹性模量和塑性流动行为产生一定的影响;合金材料的弹性模量随着夹杂颗粒尺寸的减小而增大,夹杂颗粒越小,合金材料的塑性流动硬化特征越明显。γ-TiAl基合金中与弹性性能尺度相对应的材料特征尺度lm与塑性行为尺度效应所对应的内在材料特征尺度lp相等,并与γ-Al合金复合材料基体组分中PST颗粒的尺寸大小一致。     

γ-TiAl中<110>倾斜晶界断裂行为的分子动力学模拟(英文)

采用分子动力学(MD)方法研究γ-Ti Al合金中<110>对称倾斜界面的断裂行为,模拟在不同温度与应变速率下垂直界面方向的拉伸变形。结果表明:晶粒的相对取向及晶界特定的原子结构是影响位错形核临界应力的两个主要因素。取向差角度大于90°的Σ3(111)109.5°、Σ9(221)141.1°和Σ27(552)148.4°界面,位错在晶界处形核和扩展;取向差角度小于90°的Σ27(115)31.6°和Σ11(113)50.5°界面,无位错在晶界处形核,当应力达到峰值后界面直接断裂。γ-Ti Al双晶的断裂机制为微裂纹在界面处的形核及沿界面扩展;不同取向差界面的区别在于裂纹前端有无塑性区增韧。     

FeAl金属间化合物多孔材料压缩力学性能研究

针对本课题组采用元素混合粉偏扩散-反应合成-粉末烧结方法制备的Fe-40at%Al金属间化合物多孔材料,采用单轴压缩实验研究其压缩应力-应变曲线特征以及孔隙率对其力学性能的影响规律,并通过扫描电镜实验揭示其微观断裂机理。结果表明：FeA1多孔材料的压缩应力-应变曲线可分为弹性、屈服、强化和破坏四个阶段,其中较大孔隙率的FeAl多孔材料表现出明显的非线性弹性特征;随着孔隙率的增大,其压缩屈服极限变化不大,而弹性模量和抗压强度显著降低;其断口特征宏观上表现为脆性断裂,微观上为微观沿晶断裂。比较FeAl多孔材料的理论值E_*和实测值E可知,非均匀Plateau多孔结构细观力学模型不适合高密度多孔材料,但可以较好地预测中密度多孔材料的弹性模量。     

纳米单晶γ-TiAl合金应变率效应的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟不同应变率下纳米单晶γ-TiAl合金中裂纹的扩展,利用速度加载方式对预置裂纹的单晶γ-TiAl合金进行动态单向拉伸,模拟过程中施加应变率为5.0*10₇S_-1~7.5*10₉ S_-1。研究结果表明：不同的应变率范围下裂纹的扩展形式差异很大。在不敏感区(≤4*10₈S_-1),裂纹呈解理扩展;在敏感区(4.0*10₈S_-1＜应变率≤1.0*10₉S_-1),前期呈现解理扩展特征,后期裂纹扩展通过裂尖发射滑移位错,位错塞积萌生空洞,空洞形核长大形成子裂纹,应变率≤5.0*108 S_-1时,子裂纹发生偏向,与主裂纹呈45度方向串接,5.0*10₈ S_-1＜应变率≤1.0*10₉S_-1时,子裂纹与主裂纹同向串接,最终导致裂纹扩展直至断裂;在突变区(≥1.0*10₉ S_-1),因应变强化作用使裂纹不在应力最大时刻启裂,出现裂纹扩展后应力持续增加一段时间后减小的现象,高应变率导致裂尖前端多处区域的原子结构局部非晶化,最终在原子结构混乱处萌生微裂纹,微裂纹扩展导致“试件”多处开裂。     

γ-TiAl基合金汽车排气阀吸铸充型过程水模拟

熔模吸铸是一种经济的γ-TiAl基合金汽车排气阀成型方法,但早期的吸铸气阀存在严重的气孔缺陷,这种缺陷的产生与吸铸充型过程的合金液流动密切相关.为了直接观察和测量γTiAl基合金汽车排气阀吸铸充型过程中合金液的形态和卷气现象,采用水模拟实验模拟了3种充型压力控制方式,两种壳型组合形式下气阀吸铸充型过程.模拟结果表明,利用壳型顶部通气孔粗略控制充型压力的普通吸铸过程存在严重的卷气现象;精确控制充型压力的下进气法和上排气法,充型流动平稳,充气流量<1.7 m~3/h或排气流量<1.5 m~3/h时,充型流动无卷气现象.进行了γ-TiAl基合金汽车排气阀吸铸实验,实验结果与水模拟结果吻合.应用吸铸充型运动学原理对上述现象进行了讨论.     

γ-TiAl合金铣削加工表面粗糙度研究

γ-TiAl合金因具有良好的高温物理和力学性能而广泛应用于航空航天、汽车等领域。通过γ-TiAl合金铣削加工正交试验,分析了切削参数对加工表面粗糙度的影响规律。研究表明:γ-TiAl合金铣削加工表面粗糙度的重要影响因素为背吃刀量和每齿进给量,其次是切削速度;切削速度、背吃刀量、每齿进给量之间的两两交互作用对表面粗糙度的影响不显著;表面粗糙度随着背吃刀量和每齿进给量的增加而增大,随着切削速度的增加先增大后减小。利用偏最小二乘回归法建立了基于切削参数的表面粗糙度的数学预测模型,通过模型的相关性分析以及F检验,验证了该模型具有较好的精度,能够满足表面粗糙度的一般性预测要求。在此次试验条件下获得最小表面粗糙度的切削参数为切削速度v_c=40 m/min、每齿进给量f_z=0.005 mm/z和背吃刀量a_p=0.05 mm。     

硼化物细化γ-TiAl基合金晶粒的机制

研究了不同硼含量对Ti46Al8Nb合金晶粒尺寸的影响,发现硼化物以两种方式从液相中析出:当硼含量较低、冷却速度较快时,硼化物主要存在于枝晶间,说明凝固过程中硼被排出到液相,在β枝晶间最后与枝晶耦合生长形成硼化物;当硼含量较高、冷却速度较慢时,硼化物存在于枝晶干.硼含量对枝晶形态的影响表明,不同硼含量时尽管晶粒尺寸有很大差别,但是合金的枝晶形态和枝晶间距并没有明显的变化,并且在晶粒得到部分细化的Ti46Al8Nb0.4B合金中发现,未被细化的粗大晶粒与周围的细小晶粒的枝晶形态完全相同,并可来自于同一个β晶粒.这些实验结果表明:硼化物对Ti46Al8Nb基合金晶粒的细化作用主要不是通过改变L→β的凝固过程得到的,而是通过影响凝固后的β→α固态相变来实现的.     

单晶γ-TiAl中孔洞尺寸对裂纹扩展影响的分子动力学模拟

运用分子动力学方法研究单晶γ-Ti Al合金的裂纹扩展行为,模拟时采用嵌入原子势方法,结合原子轨迹图、能量演化图以及应力-应变曲线,分析不同孔洞尺寸对裂纹扩展过程的影响。结果表明:随着孔洞半径增大,裂纹的启裂应力值减小;裂纹与孔洞结合后,R=0.4001 nm时,孔洞变形后在孔洞边界的中心产生裂纹,沿[100]方向扩展至材料断裂,裂纹扩展中出现子母裂纹传播现象;R=0.8002 nm时,孔洞变形后在一角处产生裂纹,沿[100]方向扩展至材料断裂;R=1.2003 nm时,孔洞变形后在两个角处产生裂纹,沿[110]和[110]方向扩展,[110]方向裂纹扩展中出现子母裂纹传播现象,且边界产生子裂纹并与该方向裂纹汇合后扩展至材料断裂;此外孔洞抑制裂纹扩展。