含β-B2相TiAl合金的鍛造及組織性能研究.pdf

1、TiAl合金具有低密度、高強(qiáng)度、優(yōu)異的阻燃能力和抗氧化性以及優(yōu)良的抗蠕變性能和抗疲勞性能等優(yōu)點(diǎn),成為航空航天領(lǐng)域最具競(jìng)爭(zhēng)力的結(jié)構(gòu)材料。然而TiAl合金高溫變形能力差以及室溫塑性低等不足,制約了該合金實(shí)際工程化的應(yīng)用。Beta-gammaTiAl合金具有優(yōu)異的高溫變形能力,拓寬了TiAl合金的熱加工工藝窗口。本文圍繞兩種Beta-gammaTiAl合金—Ti-43Al-9V-Y和Ti-43Al-5V-4Nb(at.％),采用鍛造的方法制備

2、這兩種合金鍛坯,并系統(tǒng)研究了合金的組織和力學(xué)性能。
　　采用真空自耗電極電弧爐熔煉技術(shù),研制出大尺寸的Ti-43Al-9V-Y(at.%)合金鑄錠,該鑄錠尺寸為Ф220mm×800mm。通過(guò)特種包套鍛造技術(shù),在溫度為1200°C,總變形量為80.8%,變形速率為0.01s-1左右的條件下,制備出大尺寸的Ti-43Al-9V-Y合金鍛坯,其尺寸達(dá)到Ф500mm×46mm,該鍛坯組織均勻性較好。鑄態(tài)Ti-43Al-9V-Y合金由塊狀的

3、γ相和β/B2相以及少量的α2和YAl2相組成。鍛態(tài)Ti-43Al-9V-Y合金由γ/(β/B2)/α2層片晶團(tuán)以及分布在層片晶團(tuán)界面處塊狀的γ相和β/B2相組成,為雙態(tài)組織,層片晶團(tuán)尺寸約為30-50μm。采用不同的熱處理技術(shù),獲得了不同形態(tài)的Ti-43Al-9V-Y合金組織,隨著熱處理溫度的升高和時(shí)間的增加,塊狀的γ相和β/B2相逐漸形成了γ/(β/B2)層片晶團(tuán),當(dāng)熱處理?xiàng)l件為1350°C/8h時(shí),獲得了γ/(β/B2)/α2全層

4、片組織。
　　拉伸性能測(cè)試結(jié)果表明,鍛態(tài)Ti-43Al-9V-Y合金室溫抗拉強(qiáng)度為834MPa,屈服強(qiáng)度為680MPa,延伸率為2.0%。隨著測(cè)試溫度的升高,抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降,延伸率上升,在700°C時(shí),抗拉強(qiáng)度為693MPa,屈服強(qiáng)度為589MPa,延伸率為12.0%。鍛態(tài)合金經(jīng)過(guò)1350°C/8h熱處理獲得γ/(β/B2)/α2全層片組織后,其室溫抗拉強(qiáng)度為863MPa,屈服強(qiáng)度為698MPa,延伸率為1.5%,當(dāng)測(cè)試溫

5、度為700°C時(shí),抗拉強(qiáng)度為571MPa,屈服強(qiáng)度為539MPa,延伸率為2.0%。三點(diǎn)抗彎性能測(cè)試結(jié)果表明,鍛態(tài)Ti-43Al-9V-Y合金和經(jīng)過(guò)1350°C/8h熱處理獲得γ/(β/B2)/α2全層片組織后的合金,其KIC值分別為22.50MPa·m1/2和21.16MPa·m1/2。原位拉伸測(cè)試結(jié)果表明,鍛態(tài)Ti-43Al-9V-Y合金在裂紋擴(kuò)展的過(guò)程中,當(dāng)遇到β/B2相時(shí),主裂紋會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn);經(jīng)過(guò)1350°C/8h熱處理獲得γ/(

6、β/B2)/α2全層片組織后的合金,在裂紋擴(kuò)展的過(guò)程中,當(dāng)層片晶面與主裂紋呈較小的角度時(shí),則主裂紋優(yōu)先向?qū)悠缑娣较蚱D(zhuǎn)并沿層片界面擴(kuò)展,產(chǎn)生層間開(kāi)裂,當(dāng)主裂紋擴(kuò)展至與其呈較大角度的層片晶面時(shí),則主裂紋必然要發(fā)生大的偏轉(zhuǎn),繼續(xù)擴(kuò)展方式可能為穿層片或沿層片,具體的擴(kuò)展路徑依賴(lài)于β/B2層片的厚度,如果β/B2層片厚度較小時(shí),則會(huì)發(fā)生穿層片斷裂,如果β/B2層片厚度較大時(shí),則會(huì)發(fā)生沿層片斷裂。納米硬度測(cè)試結(jié)果表明,在鍛態(tài)Ti-43Al-9V

7、-Y合金中,γ相、γ/(β/B2)層片和β/B2相的納米硬度分別為4.44Gpa、4.78Gpa和5.25Gpa,γ相和β/B2相的硬度相近。
　　高周疲勞性能測(cè)試結(jié)果表明,鍛態(tài)Ti-43Al-9V-Y合金在測(cè)試溫度為700°C和750°C時(shí),其疲勞強(qiáng)度分別為481.9MPa和415.3MPa;經(jīng)過(guò)1350°C/8h熱處理獲得γ/(β/B2)/α2全層片組織后的合金,在測(cè)試溫度為700°C和750°C時(shí),其疲勞強(qiáng)度分別為437.1

8、MPa和392.4MPa。疲勞斷口形貌分析表明,這兩種組織的合金,其疲勞裂紋都萌生于內(nèi)部的夾雜缺陷處,疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)有疲勞輝紋存在,疲勞瞬斷區(qū)都有靜拉伸斷口的微觀特征。高溫蠕變性能測(cè)試結(jié)果表明,鍛態(tài)Ti-43Al-9V-Y合金,在溫度為700°C,應(yīng)力為200MPa、250MPa和300MPa的條件下,其蠕變時(shí)間分別為371h、182h和74h。在700°C時(shí),當(dāng)應(yīng)力為200MPa-250MPa時(shí)其應(yīng)力常數(shù)為3.0088,應(yīng)力為250M

9、Pa-300MPa時(shí),其應(yīng)力指數(shù)為3.943;在指定應(yīng)力250MPa下的蠕變激活能為326.68kJ·mol-1。高溫蠕變變形機(jī)制為穩(wěn)態(tài)過(guò)程受原子力擴(kuò)散過(guò)程控制,發(fā)生位錯(cuò)滑移和晶界滑移,而動(dòng)態(tài)過(guò)程是因?yàn)榭锥春土鸭y引起,最終導(dǎo)致蠕變失效。
　　系統(tǒng)研究了元素粉末的快速燒結(jié)和無(wú)包套鍛造技術(shù),并在溫度為1300°C兩步鍛,變形量分別為30%和60%,變形速率為0.01s-1左右的條件下,研制出致密度為98.9%的Ti-43Al-5V-4

10、Nb(at.%)合金鍛坯。該鍛坯主要由γ、α2和β/B2相以及還沒(méi)有完全擴(kuò)散的Nb組成。拉伸性能測(cè)試結(jié)果表明,Ti-43Al-5V-4Nb合金鍛坯的室溫抗拉強(qiáng)度為442.96MPa,延伸率為0.27%。采用不同的熱處理技術(shù),獲得了不同形態(tài)的Ti-43Al-5V-4Nb合金組織。在熱處理?xiàng)l件為1300°C/1h時(shí),獲得了γ/α2全層片組織。拉伸性能測(cè)試結(jié)果表明,全層片組織合金室溫抗拉強(qiáng)度為535MPa,延伸率為0.52%。隨著測(cè)試溫度的升