论文摘要
TiAl合金具有低密度、高强度、优异的阻燃能力和抗氧化性以及优良的抗蠕变性能和抗疲劳性能等优点，成为航空航天领域最具竞争力的结构材料。然而TiAl合金高温变形能力差以及室温塑性低等不足，制约了该合金实际工程化的应用。Beta-gamma TiAl合金具有优异的高温变形能力，拓宽了TiAl合金的热加工工艺窗口。本文围绕两种Beta-gamma TiAl合金—Ti-43Al-9V-Y和Ti-43Al-5V-4Nb （at.%），采用锻造的方法制备这两种合金锻坯，并系统研究了合金的组织和力学性能。采用真空自耗电极电弧炉熔炼技术，研制出大尺寸的Ti-43Al-9V-Y（at.%）合金铸锭，该铸锭尺寸为Ф220mm×800mm。通过特种包套锻造技术，在温度为1200°C，总变形量为80.8%，变形速率为0.01s-1左右的条件下，制备出大尺寸的Ti-43Al-9V-Y合金锻坯，其尺寸达到Ф500mm×46mm，该锻坯组织均匀性较好。铸态Ti-43Al-9V-Y合金由块状的γ相和β/B2相以及少量的α2和YAl2相组成。锻态Ti-43Al-9V-Y合金由γ/（β/B2）/α2层片晶团以及分布在层片晶团界面处块状的γ相和β/B2相组成，为双态组织，层片晶团尺寸约为30-50μm。采用不同的热处理技术，获得了不同形态的Ti-43Al-9V-Y合金组织，随着热处理温度的升高和时间的增加，块状的γ相和β/B2相逐渐形成了γ/（β/B2）层片晶团，当热处理条件为1350°C/8h时，获得了γ/（β/B2）/α2全层片组织。拉伸性能测试结果表明，锻态Ti-43Al-9V-Y合金室温抗拉强度为834MPa，屈服强度为680MPa，延伸率为2.0%。随着测试温度的升高，抗拉强度和屈服强度下降，延伸率上升，在700°C时，抗拉强度为693MPa，屈服强度为589MPa，延伸率为12.0%。锻态合金经过1350°C/8h热处理获得γ/（β/B2）/α2全层片组织后，其室温抗拉强度为863MPa，屈服强度为698MPa，延伸率为1.5%，当测试温度为700°C时，抗拉强度为571MPa，屈服强度为539MPa，延伸率为2.0%。三点抗弯性能测试结果表明，锻态Ti-43Al-9V-Y合金和经过1350°C/8h热处理获得γ/（β/B2）/α2全层片组织后的合金，其KIC值分别为22.50MPa·m1/2和21.16MPa·m1/2。原位拉伸测试结果表明，锻态Ti-43Al-9V-Y合金在裂纹扩展的过程中，当遇到β/B2相时，主裂纹会发生偏转；经过1350°C/8h热处理获得γ/（β/B2）/α2全层片组织后的合金，在裂纹扩展的过程中，当层片晶面与主裂纹呈较小的角度时，则主裂纹优先向层片界面方向偏转并沿层片界面扩展，产生层间开裂，当主裂纹扩展至与其呈较大角度的层片晶面时，则主裂纹必然要发生大的偏转，继续扩展方式可能为穿层片或沿层片，具体的扩展路径依赖于β/B2层片的厚度，如果β/B2层片厚度较小时，则会发生穿层片断裂，如果β/B2层片厚度较大时，则会发生沿层片断裂。纳米硬度测试结果表明，在锻态Ti-43Al-9V-Y合金中，γ相、γ/（β/B2）层片和β/B2相的纳米硬度分别为4.44Gpa、4.78Gpa和5.25Gpa，γ相和β/B2相的硬度相近。高周疲劳性能测试结果表明，锻态Ti-43Al-9V-Y合金在测试温度为700°C和750°C时，其疲劳强度分别为481.9MPa和415.3MPa；经过1350°C/8h热处理获得γ/（β/B2）/α2全层片组织后的合金，在测试温度为700°C和750°C时，其疲劳强度分别为437.1MPa和392.4MPa。疲劳断口形貌分析表明，这两种组织的合金，其疲劳裂纹都萌生于内部的夹杂缺陷处，疲劳裂纹扩展区有疲劳辉纹存在，疲劳瞬断区都有静拉伸断口的微观特征。高温蠕变性能测试结果表明，锻态Ti-43Al-9V-Y合金，在温度为700°C，应力为200MPa、250MPa和300MPa的条件下，其蠕变时间分别为371h、182h和74h。在700°C时，当应力为200MPa-250MPa时其应力常数为3.0088，应力为250MPa-300MPa时，其应力指数为3.943；在指定应力250MPa下的蠕变激活能为326.68kJ·mol-1。高温蠕变变形机制为稳态过程受原子力扩散过程控制，发生位错滑移和晶界滑移，而动态过程是因为孔洞和裂纹引起，最终导致蠕变失效。系统研究了元素粉末的快速烧结和无包套锻造技术，并在温度为1300°C两步锻，变形量分别为30%和60%，变形速率为0.01s-1左右的条件下，研制出致密度为98.9%的Ti-43Al-5V-4Nb（at.%）合金锻坯。该锻坯主要由γ、α2和β/B2相以及还没有完全扩散的Nb组成。拉伸性能测试结果表明，Ti-43Al-5V-4Nb合金锻坯的室温抗拉强度为442.96MPa，延伸率为0.27%。采用不同的热处理技术，获得了不同形态的Ti-43Al-5V-4Nb合金组织。在热处理条件为1300°C/1h时，获得了γ/α2全层片组织。拉伸性能测试结果表明，全层片组织合金室温抗拉强度为535MPa，延伸率为0.52%。随着测试温度的升高，抗拉强度下降，延伸率上升，在700°C时，抗拉强度为582MPa，延伸率为11.00%。
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标签：合金论文; 显微组织论文; 热处理论文; 力学性能论文; 快速烧结和无包套锻造论文;